鋁合金車體雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織及力學(xué)性能研究

陳寧凱，王威威，付寧寧，金文濤

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 序言

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國焊接研究所（TWI）發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊接頭部位不存在金屬熔化，這可以有效地避免熔焊過程中形成的氣孔、裂紋等焊接缺陷。同時(shí)攪拌摩擦焊具有自動(dòng)化、智能化優(yōu)勢，因此攪拌摩擦焊在軌道交通鋁合金車體制造中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。雙軸肩攪拌摩擦焊是一種新型的攪拌摩擦焊方法，采用具有上下軸肩的自支撐攪拌工具，兩個(gè)軸肩通過與被焊結(jié)構(gòu)厚度相當(dāng)?shù)臄嚢栳樳B接，通過焊接過程中上下軸肩與攪拌針共同旋轉(zhuǎn)并與被焊材料相互作用實(shí)現(xiàn)焊接。由于雙軸肩攪拌摩擦焊軸向力較小，且不需要?jiǎng)傂詨|板，因此非常適合自動(dòng)化焊接，大大提高了攪拌摩擦焊的適應(yīng)性和焊接效率。雙軸肩攪拌摩擦焊是一種全焊透焊接，可以同時(shí)對工件的上下表面進(jìn)行焊接，因而，從根本上消除了未焊透或根部缺陷等問題[2，3]。本文主要研究不同工藝參數(shù)對接頭成形、微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，為雙軸肩攪拌摩擦焊焊接參數(shù)制定、質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支撐，以促進(jìn)攪拌摩擦焊工程化應(yīng)用。

圖1 雙軸肩攪拌摩擦焊原理示意

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料及攪拌頭

試驗(yàn)材料為6005A-T6鋁合金中空型材，壁厚為5mm，其化學(xué)成分見表1?？估瓘?qiáng)度為255MPa，伸長率為8%。采用航天工程裝備（蘇州）有限公司生產(chǎn)的二維攪拌摩擦焊設(shè)備以及自主研制的攪拌工具，沿型材軋制方向進(jìn)行焊接，攪拌工具上下軸肩直徑均為18mm，攪拌針直徑8mm，針長4.8mm，如圖2所示。

表1 6005A-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖2 攪拌頭結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)參數(shù)及方法

為了研究焊接參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量和接頭力學(xué)性能的影響，選取了4組優(yōu)化的焊接參數(shù)。選取原則為在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)盡量提高焊接效率，具體的焊接參數(shù)見表2。

表2 攪拌摩擦焊焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 焊縫表面成形

4種參數(shù)均得到了表面成形良好的焊縫，如圖3所示。由圖3可知，所有接頭都形成了均勻分布的魚鱗紋，魚鱗紋的間距與焊接參數(shù)有關(guān)，代表攪拌頭旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離。隨著焊接速度的增加，魚鱗紋距離增加。隨著焊接速度的增加，由于降低了焊接熱輸入，因此飛邊也有所減少。

圖3 不同參數(shù)下焊縫表面成形

3.2 宏觀金相

由圖4可知，雙軸肩攪拌摩擦焊接頭橫截面宏觀形貌呈“啞鈴形”，由熱影響區(qū)（HAZ）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）和焊核區(qū)（WNZ）組成。組織形貌在厚度方向上呈現(xiàn)出對稱性，而沿寬度方向，前進(jìn)側(cè)（AS）和后退側(cè)（RS）的組織形貌有明顯差異。前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)的分界線較為尖銳，后退側(cè)該分界線則更為圓滑，這是由于塑化金屬隨攪拌針從前進(jìn)側(cè)向后退側(cè)遷移，導(dǎo)致后退側(cè)鋁合金受到擠壓，界面變得圓滑。前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)之間有明顯的分界線，焊核區(qū)在靠近前進(jìn)側(cè)可見三角條帶區(qū)，這是由于前進(jìn)側(cè)塑性材料處于紊流狀態(tài)，因攪拌針、上軸肩和下軸肩驅(qū)動(dòng)的塑性金屬在該處匯聚而引起的，該區(qū)域也是容易產(chǎn)生隧道及孔洞缺陷的位置。所有接頭的焊核區(qū)均可觀察到S線，這是對接面的氧化物在攪拌針攪拌作用下殘留于焊核中形成的[4]。

圖4 不同參數(shù)下接頭橫截面宏觀形貌

3.3 顯微組織

2#接頭不同區(qū)域的組織如圖5所示，母材呈現(xiàn)出典型的擠壓型材組織，無明顯的第二相析出。焊核區(qū)組織呈等軸狀，晶粒非常細(xì)小，這是因?yàn)楹负藚^(qū)受到攪拌針強(qiáng)烈的攪拌作用，同時(shí)受到焊接熱循環(huán)的作用，使得該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，所以形成細(xì)小、均勻的等軸晶組織；同時(shí)，焊核區(qū)也有少量的第二相析出，均勻分布在基體中；熱機(jī)影響區(qū)組織發(fā)生明顯的變形，與熱影響區(qū)有較為明顯的分界線，其中前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的晶粒變形相比后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的晶粒明顯。熱影響區(qū)組織與母材相似，但由于受到焊接熱循環(huán)的作用，其晶粒尺寸明顯大于母材的晶粒；熱影響區(qū)內(nèi)部由于受熱不均勻，因此晶粒大小也有明顯的差異；熱影響區(qū)中還可觀察到大量均勻分布的第二相；前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)晶粒比后退側(cè)大，這是由于前進(jìn)側(cè)溫度高于后退側(cè)，因此晶粒長大現(xiàn)象明顯[5]。

圖5 2#接頭不同區(qū)域的組織

3.4 抗拉強(qiáng)度

不同焊接速度下接頭的抗拉強(qiáng)度如圖6所示。由圖6可看出，固定旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，隨著焊接速度提高，接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)焊接速度為700mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值236MPa，所有參數(shù)下接頭拉伸斷裂位置均位于熱影響區(qū)。

圖6 不同焊接速度下接頭的抗拉強(qiáng)度

圖7 2#接頭拉伸斷口SEM照片

2#接頭拉伸斷口SEM照片如圖7所示。2#接頭斷裂發(fā)生于熱影響區(qū)，整個(gè)斷面均呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。由于焊縫組織在攪拌頭軸肩和攪拌針的攪拌、碾壓作用下，晶粒破碎、細(xì)化，形成組織致密的等軸晶，接頭的均勻性和一致性很好，即使對于熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)來說，其組織的致密性、均勻性及一致性也很好。因此，在拉應(yīng)力作用下，接頭斷口易于形成均勻的等軸韌窩形貌。韌窩的大小較為均勻，表明接頭韌性較好，強(qiáng)化相分布均勻，這與圖5所示的微觀組織特征一致。

3.5 彎曲性能

4種參數(shù)下的焊接接頭均具有良好的彎曲性能，正彎、背彎180°均未出現(xiàn)裂紋，如圖8所示。

圖8 彎曲性能

4 結(jié)束語

1）在800r/min低轉(zhuǎn)速下，焊接速度從600mm/min增加到900mm/min，接頭成形均良好，無溝槽等表面缺陷，也無隧道、孔洞等內(nèi)部缺陷；接頭呈“啞鈴形”，由熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)組成，焊縫在寬度及厚度方向均呈對稱性。

2）當(dāng)固定旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，隨著焊接速度的提高，接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)焊接速度達(dá)到700mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值236MPa。

3）接頭斷裂發(fā)生于熱影響區(qū)，整個(gè)斷面均呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。

4）雙軸肩攪拌摩擦焊接頭具有良好的彎曲性能，4種參數(shù)下接頭的正彎、背彎180°試驗(yàn)，均未出現(xiàn)裂紋。