6082-T6鋁板攪拌摩擦焊根部弱結(jié)合缺陷的研究

(山東諾維科輕量化裝備有限公司，山東 龍口 265705)

攪拌摩擦焊具有接頭缺陷少、質(zhì)量高、變形小，以及焊接過程綠色、無污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、船舶、核工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中，提高焊接速度可縮短生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益的提升[2]。除此之外，鋁板在焊制過程中，攪拌針軸肩壓入的深度不僅影響焊縫性能，也會(huì)影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，所以，在制定工藝時(shí)要合理設(shè)定攪拌針軸肩壓入深度，既要保證焊縫良好成型，又要減小攪拌針頭部磨損。本文針對(duì)6082-T6的5 mm鋁板，采用多組焊接工藝的攪拌摩擦焊接頭展開研究，對(duì)接頭的金相組織、硬度、拉伸、彎曲進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析FSW接頭組織的形成機(jī)理、拉伸斷口形貌、背彎裂紋缺陷產(chǎn)生原因，同時(shí)就消除缺陷進(jìn)行工藝改進(jìn)做了進(jìn)一步的研究。

1 試驗(yàn)材料和方案

將5 mm厚鋁板加工到500 mm×150 mm進(jìn)行對(duì)接焊接，選用帶螺紋的錐形攪拌頭，軸肩直徑16 mm，攪拌針根部直徑5 mm，針長(zhǎng)4.8 mm，攪拌頭與主軸夾角2.7°，攪拌針軸肩壓入深度0.1 mm，表1為4組不同焊接工藝的相關(guān)信息。

表1 焊接工藝信息表

2 宏觀、微觀組織

焊接接頭宏觀檢測(cè)按照ISO 17639-2012《金屬焊接接頭破壞性試驗(yàn)-焊縫的宏觀和微觀試驗(yàn)》執(zhí)行，將焊接接頭樣品進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光、腐蝕等處理，宏觀采用肉眼或放大30倍左右的放大鏡觀察焊縫的夾雜、裂紋、氣孔、偏析、縮孔等缺陷；微觀采用 DXS-500 型金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。對(duì)接頭的宏觀和微觀的金相組織進(jìn)行分析。

從圖1中可知焊接接頭焊核區(qū)沒有明顯的“隧道孔”型缺陷。

圖1 宏觀形貌圖

從圖 2、圖3中可知前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的母材區(qū)均為典型軋制組織晶粒，晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)。從圖4、圖5中可知前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的熱影響區(qū)也是典型軋制組織晶粒，但是由于熱影響區(qū)受攪拌摩擦焊焊接熱循環(huán)作用使其晶粒尺寸略有增大。從圖6、圖7中可知前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)晶粒由于受到攪拌針剪切作用，使其晶粒發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形，其中前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的彎曲變形更加嚴(yán)重；還可以看到焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)有明顯的分界面，且前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的分界面要比后退側(cè)的分界面更加明顯。從圖8中可知焊核區(qū)為細(xì)小的等軸晶粒，這是由于焊核區(qū)受攪拌針直接作用，且焊核區(qū)承受焊接過程中的最高溫度，因此在攪拌針的嚴(yán)重塑性變形和熱影響作用下，焊核區(qū)發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶產(chǎn)生細(xì)小均勻的等軸晶粒。

圖2 后退側(cè)-母材 圖3 前進(jìn)側(cè)-母材

圖4 后退側(cè)-熱影響區(qū) 圖5 前進(jìn)側(cè)-熱影響區(qū)

圖6 后退側(cè)-熱機(jī)影響區(qū) 圖7 前進(jìn)側(cè)-熱機(jī)影響區(qū)

圖8 焊核區(qū)

3 硬度分布

硬度檢測(cè)參照 GB/T 2654—2008執(zhí)行，加載載荷為3 kg，每個(gè)硬度點(diǎn)間距為1 mm，檢測(cè)區(qū)域包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)。從圖9中可知，CL1和CL2兩組焊接工藝下焊接接頭硬度呈“U”形分布，最低硬度位于焊核區(qū)；CL3和CL4兩組焊接工藝下焊接接頭硬度呈“W”形分布，最低硬度位于熱影響區(qū)，隨著焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度的提升，CL3和CL4兩組焊接工藝下焊接接頭焊核區(qū)的硬度上升了5～10 HV，并且使得焊接接頭的硬度最低點(diǎn)從焊核區(qū)轉(zhuǎn)移至熱影響區(qū)。同時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)速度的提升使得焊接過程中產(chǎn)熱增加，因此相對(duì)于CL1和CL2兩組焊接工藝而言，CL3與CL4兩組焊接工藝下的焊接接頭熱影響區(qū)寬度有所寬化；但是，CL3與CL4兩組焊接工藝下的焊接接頭最低硬度仍比CL1和CL2兩組焊接工藝下焊接接頭的最低硬度高5～10 HV，圖9為硬度分布匯總圖。

圖9 硬度分布匯總圖

4 室溫拉伸

母材室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》執(zhí)行，焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》執(zhí)行。為保證室溫拉伸試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種類型的室溫拉伸試樣取4個(gè)平行試樣，焊接接頭和母材材料室溫拉伸試樣取樣均垂直于焊縫。使用DDL100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)備，采用拉力拉伸試樣，一般拉至斷裂。通過拉伸試驗(yàn)可揭示焊接接頭材料在靜載荷作用下的常見力學(xué)行為，即彈性變形、塑性變形和斷裂，以及材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如極限抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2和斷后伸長(zhǎng)率A等。檢測(cè)過程中拉伸速率為2 mm/min，相當(dāng)于3.3×10-2mm/s，實(shí)驗(yàn)室溫度為25 ℃±3 ℃。

通過拉伸后斷裂的位置得知，在CL1和CL2兩種焊接工藝下焊接接頭室溫拉伸斷裂位置差異性不大，基本上位于焊縫區(qū)靠近后退側(cè)(RS)位置；在CL3和CL4兩種焊接工藝下的焊接接頭室溫拉伸斷裂位置差異性不大，位于焊接接頭后退側(cè)熱影響區(qū)位置。表2為四種工藝下的母材及焊接接頭室溫拉伸性能。

表2 母材及焊接接頭室溫拉伸性能(平均值)

為了進(jìn)一步精確確定四種焊接工藝下焊接接頭室溫拉伸試樣斷裂位置，通過焊接接頭室溫拉伸斷裂位置的金相照片進(jìn)行對(duì)比分析。圖10為焊接接頭室溫拉伸斷裂位置金相圖。雖然焊接接頭未斷裂在焊核區(qū)正中心位置，但是通過圖10可知在焊核區(qū)中心位置正下方存在未焊合缺陷，在進(jìn)行室溫拉伸時(shí)在軸向拉伸作用下未焊合位置被拉開一個(gè)小缺口(圖中箭頭指向位置)。未焊合缺口的存在雖然未使得焊接接頭室溫拉伸試樣斷裂在此位置，但是在動(dòng)態(tài)載荷的作用下，此缺口會(huì)成為疲勞開裂的裂紋源，嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)部件的疲勞性能從而導(dǎo)致疲勞斷裂失效的發(fā)生。

圖10 焊接接頭室溫拉伸斷裂位置金相

5 室溫彎曲

使用DDL100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭室溫彎曲試驗(yàn)，按照GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》執(zhí)行，試樣彎曲角度180°，采取正彎和背彎兩種彎曲形式，判定標(biāo)準(zhǔn)參見TB/T3260.2—201。彎曲結(jié)束后，對(duì)試樣的外表面和側(cè)面都進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)在試樣角部的裂紋可以在評(píng)估時(shí)忽略不計(jì)。通過實(shí)物圖及實(shí)際檢測(cè)可知：焊接接頭180°正彎后，在正彎試樣的外表面和側(cè)面均未發(fā)現(xiàn)裂紋；焊接接頭180°背彎后，在背彎試樣的外表面發(fā)現(xiàn)缺口裂紋缺陷(圖11中箭頭所指位置)。

此缺陷產(chǎn)生的主要原因是焊接接頭弱結(jié)合所致，深究焊接工藝方面的因素，主要是因?yàn)楹附舆^程中攪拌針的軸肩壓入深度不夠。圖11為焊接接頭室溫背彎試樣實(shí)物圖。

圖11 焊接接頭室溫背彎試樣實(shí)物

6 消除根部弱結(jié)合缺陷

制作焊接墊板，在墊板上與焊縫根部接觸的位置增開通長(zhǎng)凹槽，凹槽寬3 mm，深0.2 mm。采用表1中的焊接參數(shù)，攪拌針型號(hào)不變，攪拌頭與主軸夾角2.7°不變，調(diào)整攪拌針軸肩壓入深度為0.2 mm，將5 mm厚鋁板加工到500 mm×150 mm進(jìn)行對(duì)接焊接。焊后按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)接頭進(jìn)行拉伸、彎曲和低倍金相檢測(cè)。[3]

通過拉伸后斷裂的位置得知，焊接接頭室溫拉伸斷裂位置位于焊縫區(qū)，如圖12；通過彎曲檢測(cè)可知，180°正彎、背彎后，試樣的外表面和側(cè)面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖13；通過低倍組織檢驗(yàn)沒有夾雜、裂紋、氣孔、偏析、縮孔、熔合不良等缺陷，如圖14。

圖12 焊接接頭室溫拉伸斷裂位置圖

圖13 焊接接頭室溫 圖14 低倍金相圖彎曲試樣實(shí)物

通過以上實(shí)驗(yàn)和檢驗(yàn)證明，凹槽可以起到預(yù)留變形空間的作用，同時(shí)焊縫成型良好，接頭性能滿足要求，也減少了攪拌針頭部磨損。

7 結(jié)論

(1)攪拌針軸肩的下壓量，以及攪拌針長(zhǎng)度尺寸與板材厚度尺寸的匹配性，是弱結(jié)合缺陷產(chǎn)生的主要因素，和旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度影響不大。

(2)采用背部墊板銑凹槽的方式可以避免弱結(jié)合缺陷，同時(shí)減少攪拌針的磨損，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。

(3)為解決單面焊雙面成形的焊縫質(zhì)量問題提供了一種工藝方法。解決了攪拌摩擦焊產(chǎn)品焊縫全熔透問題，有效的控制了焊接質(zhì)量。