6005A-T6厚板鋁合金FSW焊接接頭力學(xué)性能與疲勞性能研究

吳慶祝，許鴻吉，邱勁松，劉 楷

大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028

0 前言

6xxx系鋁合金因密度低、比強(qiáng)度高、成形性好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[1-3]。經(jīng)過熱處理的6005A鋁合金具有優(yōu)良的抗腐蝕性能和良好的抗擠壓性能，常用于高速列車的側(cè)墻和車頂?shù)溶嚿斫Y(jié)構(gòu)，可以減少自重和燃料的消耗[4-5]。20世紀(jì)末，德、法、日等發(fā)達(dá)國家率先實(shí)現(xiàn)了高速列車車身結(jié)構(gòu)的全鋁合金輕量化制造。21世紀(jì)初我國開始進(jìn)行鋁合金結(jié)構(gòu)高速列車的研發(fā)和制造，到目前全鋁合金車身結(jié)構(gòu)已全面應(yīng)用于“和諧號(hào)”系列高速動(dòng)車組列車、新一代標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組復(fù)興號(hào)列車以及各型輕軌地鐵車輛的制造。

高強(qiáng)度鋁合金焊接接頭的疲勞行為和疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展等微觀機(jī)理已成為近年來的研究熱點(diǎn)[6]。如吳文波等[7]對(duì)3 mm厚度6005A-T6鋁合金型材進(jìn)行MIG角接焊接，發(fā)現(xiàn)了其力學(xué)性能及焊接參數(shù)對(duì)組織的影響；張富亮[8]等利用攪拌摩擦焊在4種不同的工藝參數(shù)下對(duì)3 mm厚6005A合金板材進(jìn)行工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)，給出了特定板厚下攪拌摩擦焊的最佳參數(shù)；鈕旭晶等[9]對(duì)不同裝配條件下6005A-T6鋁合金型材焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)邊會(huì)降低試件的疲勞性能。這些研究都是針對(duì)薄板的力學(xué)性能及疲勞性能，對(duì)于6005A厚板的疲勞性能研究較少，因此本文對(duì)6005A鋁合金厚板的對(duì)搭接攪拌摩擦焊焊接接頭的力學(xué)性能和疲勞性能進(jìn)行研究，以期為實(shí)際生產(chǎn)和相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品制造提供數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)搭接接頭形式在列車型材結(jié)構(gòu)件組裝中較為常見，焊縫美觀并具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，能夠大大節(jié)約材料的使用，但與常規(guī)FSW對(duì)接接頭相比，對(duì)搭接FSW接頭搭接末端往往存在一個(gè)類似于裂縫的未焊區(qū)，即Hook缺陷，該缺陷會(huì)對(duì)材料的凈連接厚度產(chǎn)生影響，降低接頭強(qiáng)度[10]。文中以24 mm厚的6005A-T6鋁合金FSW對(duì)搭接焊接頭為研究對(duì)象，通過開展拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和金相組織及斷口形貌分析，得到對(duì)搭接FSW接頭力學(xué)性能和疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為企業(yè)生產(chǎn)和車體制造提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用24 mm厚的6005A-T6鋁合金厚板作為基材，其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。待焊板材尺寸為3 000 mm×950 mm×24 mm，采用如圖1所示的對(duì)搭接方式進(jìn)行焊接。

表1 6005A-T6鋁合金型材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 6005A-T6Al-alloy profile（wt.%）

表2 6005A-T6鋁合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 6005A-T6Al-alloy

圖1 對(duì)搭接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the lap joint

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用設(shè)備為FOOKE攪拌摩擦焊設(shè)備。由于板厚較大需先點(diǎn)固再焊接，點(diǎn)固方式為采用4.8 mm攪拌針先進(jìn)行整體焊接，隨后用27.5 mm攪拌針再重復(fù)整個(gè)過程。焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

焊前使用丙酮清洗板材表面，去除氧化膜和表面油污；焊后按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀檢查（ISO25239-5）、射線探傷（ISO17636）、滲透探傷（ISO3452）。在DMi8-Leica數(shù)碼金相顯微鏡下觀察母材、熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)的顯微組織。按GB/T4342-1991《金屬顯微維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)》測量接頭維氏硬度分布，載荷500 gf，保持時(shí)間15 s，步長2 000 μm。

將型材加工成拉伸試件，按照標(biāo)準(zhǔn)（ISO4136-2001）進(jìn)行焊接接頭拉伸性能測驗(yàn)。使用LSM-6360V掃描電子顯微鏡對(duì)斷后形貌進(jìn)行掃描。

彎曲試驗(yàn)：將型材加工成彎曲試件，試驗(yàn)在微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將加工好的試件側(cè)彎180°觀察試件表面有無裂紋。

疲勞試驗(yàn)：將型材加工成疲勞試件，試驗(yàn)設(shè)備為PLC-200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用應(yīng)力循環(huán)比R=0.1，指定循環(huán)壽命取1×106次。疲勞技術(shù)規(guī)格為：靜態(tài)負(fù)荷精度±1%，動(dòng)荷平均波動(dòng)度±1%，動(dòng)負(fù)荷振幅波動(dòng)度±2%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭金相組織

焊接接頭宏觀形貌及Hook缺陷示意如圖2所示。由于采用對(duì)搭接FSW，Hook缺陷是無法避免的，但只要滿足實(shí)際生產(chǎn)需求即能夠達(dá)到所需的工藝強(qiáng)度。

圖2 宏觀形貌及HooK缺陷示意圖Fig.2 Schematic diagram of macroscopic appearance and hook defect

焊接接頭顯微組織如圖3所示。由圖3a可知，焊核區(qū)顯微組織主要為α（Al）相基體和其上分布的部分析出β（Mg2Si）相，由于受到攪拌頭的熱輸入，焊核由外向內(nèi)進(jìn)行冷卻，焊核最后冷卻導(dǎo)致其晶粒形態(tài)為等軸樹枝晶，晶粒均勻細(xì)小[6]。

圖3 焊接接頭顯微組織Fig.3 Schematic diagram of the microstructure of the welded joint

如圖3b可知，后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)晶粒由于同時(shí)受到熱輸入和機(jī)械攪拌的作用，晶粒粗大并被拉長。與之相比，前進(jìn)側(cè)（見圖3c）晶粒更為粗大且具有一定方向。這是由于雖然前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)都受到了攪拌針的剪切力與母材的擠壓力，但前進(jìn)側(cè)兩者方向相反，晶粒變化更為劇烈，而后退側(cè)兩者方向相同。前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)在攪拌針的劇烈攪拌作用下，塑性鋁材料在接近焊核區(qū)的小部分區(qū)域發(fā)生了局部破碎和粘附長大現(xiàn)象，而其他部分的組織發(fā)生了較大程度的彎曲變形，并在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶[11]。與接頭中的其他區(qū)域相比，熱機(jī)影響區(qū)組織變化最為劇烈，在劇烈變化的粘附力和焊接熱循環(huán)的綜合作用下，形成了從粘附長大的破碎組織到彎曲變形的帶狀組織的變化梯度，其中還混有再結(jié)晶晶粒和回復(fù)晶粒[12]。

由圖3d可知，熱影響區(qū)晶粒變得粗大，沿軋制方向延長呈纖維狀，由于沒有外力作用，晶粒未發(fā)生變形。由圖3e可知，母材區(qū)成分均勻，組織組成相較于熱影響區(qū)變化不大，但晶粒較為細(xì)小。

2.2 硬度試驗(yàn)

焊接接頭硬度變化曲線如圖4所示，硬度分布呈“W”型。焊核區(qū)硬度較高，從中心向外，當(dāng)達(dá)到TMAZ時(shí)呈下降趨勢，在HAZ時(shí)達(dá)到最小值，然后硬度逐漸升高與母材等同水平，符合霍爾-佩奇公式的規(guī)律。以焊核為中心，兩側(cè)25.0～35.0 mm處和-30～-20 mm處因過時(shí)效的作用，Mg2Si強(qiáng)化相析出并聚集長大產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致硬度下降。

圖4 焊接接頭硬度變化曲線Fig.4 Hardness change curve of welded joint

2.3 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。6005-T6鋁合金焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)T=0.6，F(xiàn)SW時(shí)T=0.7。由表4可知，1號(hào)試件和2號(hào)試件強(qiáng)度系數(shù)均大于0.96，滿足ISO 4136標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有良好的拉伸性能。由此可見，Hook缺陷對(duì)對(duì)搭接街頭的拉伸性能影響不大。

表4 試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile test results of specimens

拉伸試件宏觀形貌如圖5所示。兩個(gè)試件均斷于熱影響區(qū)，這是由于焊接熱循環(huán)作用導(dǎo)致熱影響區(qū)存在軟化現(xiàn)象，與硬度試驗(yàn)得出的結(jié)論相互印證。

圖5 拉伸試件宏觀形貌Fig.5 Macro of tensile specimen

1號(hào)、2號(hào)試樣斷口進(jìn)行全貌、中心以及邊緣的掃描，其結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，未出現(xiàn)對(duì)拉伸性能有明顯影響的缺陷，均在合理范圍內(nèi)；中心和邊緣斷口組織形貌均為纖維狀，且存在大量的韌窩，韌窩尺寸具有很大差異性，說明其抗拉能力很強(qiáng)。

圖6 試板拉伸件斷口掃描照片F(xiàn)ig.6 Scanning photo of the fracture of the tensile part of the test plate

2.4 彎曲試驗(yàn)

試板彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，彎曲試件宏觀形貌如圖7所示，6005A-T6鋁合金試件側(cè)彎達(dá)到180°時(shí)，試件表面光滑、沒有裂紋，說明彎曲性能良好，具有一定強(qiáng)度。

圖7 彎曲試件宏觀形貌Fig.7 Macro view of the bending test piece

表5 試板彎曲結(jié)果Table 5 Bending result table of test plate

2.5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過升降法確定鋁合金型材焊接接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限，其疲勞極限升降圖如圖8所示。

圖8 疲勞極限升降圖Fig.8 Fatigue limit rise and fall diagram

由圖8可知，6005A-T6鋁合金型材對(duì)搭接單軸肩攪拌摩擦焊接頭有三級(jí)應(yīng)力水平，有效試件數(shù)為10個(gè)，共有5個(gè)子樣對(duì)。通過升降法確定在焊接接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為：

由以上數(shù)據(jù)確定的鋁合金焊接接頭接頭脈動(dòng)拉伸疲勞的中值S-N曲線如圖9所示。

2.6 焊接接頭疲勞斷口分析

24 mm厚鋁合金型材疲勞試件有效試件數(shù)為10個(gè)，斷裂位置都在焊核Hook附近，說明該位置存在較大的應(yīng)力集中，是造成疲勞斷裂的主要原因，試件宏觀形貌如圖10所示。

圖10 疲勞試件宏觀形貌Fig.10 Macro morphology of fatigue specimen

使用JSM-6360V掃描電子顯微鏡對(duì)疲勞斷口進(jìn)行掃描分析，照片如圖11所示。

圖11 疲勞斷口掃描圖片F(xiàn)ig.11 Scanned image of fatigue fracture

雖然對(duì)搭接FSW焊接不可避免地存在Hook缺陷，會(huì)降低焊接接頭的疲勞性能，但其疲勞性能仍能滿足工藝要求。由圖11可知，試件的啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)具有疲勞斷裂的典型特征。疲勞紋較為清晰，擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，終斷區(qū)由大小不一的韌窩組成。在掃描圖片中試件內(nèi)部有一些小的氣孔或夾雜，但這些內(nèi)部的缺陷對(duì)鋁合金的疲勞性能影響不大。

3 結(jié)論

（1）焊核晶粒主要為細(xì)小的等軸樹枝晶，無方向性；由于前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)受外力和熱輸入雙重作用，熱機(jī)影響區(qū)晶粒粗大并有一定的變形，前進(jìn)側(cè)表現(xiàn)得尤為明顯；熱影響區(qū)顯微組織與母材大體相似，只伴有晶粒長大的現(xiàn)象；母材的晶粒沿軋制方向延長呈纖維狀。

（2）24 m厚6005A-T6鋁合金型材對(duì)搭接單軸肩FSW接頭硬度分布均近似W型，最低值在有軟化現(xiàn)象的熱影響區(qū)，符合霍爾-佩奇公式的規(guī)律。平均抗拉強(qiáng)度為241.58 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)大于0.96，拉伸性能良好。

（3）通過升降法確定6005A-T6鋁合金型材對(duì)搭接單軸肩FSW接頭脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限為54.5 MPa。

（4）接頭斷口平整，內(nèi)部沒有明顯的對(duì)整體疲勞性能產(chǎn)生影響的缺陷，疲勞極限具有可靠性，疲勞試件具有明顯的疲勞斷裂特征，擴(kuò)展區(qū)疲勞帶走向清晰，終斷區(qū)為明顯的韌窩。