鋁合金型材攪拌摩擦焊無(wú)減薄接頭組織和性能

邢松齡，李充，周海鵬，陳高強(qiáng)，史清宇

(1.北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司,北京,100101；2.北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司,北京,100070；3.清華大學(xué),北京,100084)

0 序言

攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)技術(shù)在國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛鋁合金車(chē)體制造中已有十余年的應(yīng)用，最初是為了解決鋁合金車(chē)體焊接的兩類關(guān)鍵問(wèn)題：一是控制薄板焊接的變形，二是減少厚板焊接的層間缺陷[1-3].此外，作為一種綠色焊接技術(shù)，F(xiàn)SW 還具有操作簡(jiǎn)單、焊接強(qiáng)度高、一致性好等特點(diǎn)，因而其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛[4-6].

傳統(tǒng)的FSW 工藝中，通常不會(huì)產(chǎn)生焊縫余高，同時(shí)為保證焊接質(zhì)量，主軸往往會(huì)提供較大的下壓力，致使攪拌頭軸肩被壓入工件表面，造成焊縫表面低于母材表面的減薄現(xiàn)象[7].此外，在下壓力控制不當(dāng)時(shí)，F(xiàn)SW 工藝也會(huì)產(chǎn)生特有的飛邊缺陷[8].上述情況不僅會(huì)使工件整體精度降低，還會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)中帶來(lái)較大的焊后打磨量工作，特別是在車(chē)體側(cè)墻、端墻等對(duì)平面度要求較高的部件焊接時(shí)，影響生產(chǎn)效率.沈浩然等人[9]設(shè)計(jì)出一種靜止軸肩的攪拌頭，并應(yīng)用在鋁鋰合金的攪拌摩擦焊中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)減薄焊接，但是其并沒(méi)有解決飛邊缺陷等問(wèn)題.其他研究工作中，也有學(xué)者嘗試采用增材焊接的方式來(lái)解決焊縫減薄的問(wèn)題，但這些方法一定程度上增加了生產(chǎn)成本，提高了工藝復(fù)雜性[10-11].

文中針對(duì)鋁合金型材研究了一種無(wú)減薄攪拌摩擦焊的工藝，并對(duì)攪拌頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)優(yōu)化.結(jié)果表明，攪拌頭軸肩區(qū)域采用內(nèi)凹設(shè)計(jì)，能夠在保證下壓量的基礎(chǔ)上，改善焊縫區(qū)域的材料流動(dòng)并使材料回填，最終獲得無(wú)飛邊、無(wú)減薄的焊接接頭，其力學(xué)性能表現(xiàn)良好.同時(shí)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中型材組裝存在拼接公差的實(shí)際情況，研究了接頭錯(cuò)邊量對(duì)焊縫拉伸強(qiáng)度的影響.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用擠壓成形的中空鋁合金型材，其材質(zhì)為6005A-T6，材料成分和力學(xué)性能分別執(zhí)行EN 573-3[12]和EN 755-2[13]標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度為260 MPa.接頭采用對(duì)搭接形式，厚度為4 mm，焊接試樣長(zhǎng)度為800 mm(其中有效焊接長(zhǎng)度600 mm)，斷面尺寸如圖1 所示，焊接方向平行于擠壓方向.

圖1 鋁合金型材的橫截面Fig.1 Cross section of aluminum alloy profile

焊接過(guò)程中采用恒位移控制模式，主軸轉(zhuǎn)速和焊接速度分別為950 r/min 和300 mm/min.試驗(yàn)所用攪拌頭軸肩直徑24 mm，內(nèi)凹角深度1 mm，錐形攪拌針根部直徑為8 mm，針長(zhǎng)為5.3 mm，側(cè)面加工有右旋錐螺紋，焊接過(guò)程中傾角為2.5°.

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 2651-2008 焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》[14]，從垂直于焊縫方向的接頭取拉伸試樣，同時(shí)考慮到型材各處厚度不均勻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以最薄處為厚度基準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)試樣，用于考察型材FSW 結(jié)構(gòu)的拉伸性能，引伸計(jì)標(biāo)距定為50 mm.為考察接頭各區(qū)顯微硬度的分布特征，沿垂直于焊接方向截取接頭橫截面制備測(cè)試試樣，經(jīng)SiC 砂紙粗磨、金相砂紙精磨和機(jī)械拋光后，對(duì)距離焊縫上表面2 mm 處各點(diǎn)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫宏觀形貌

試驗(yàn)中將軸向下壓量作為變量，以攪拌針針長(zhǎng)為基準(zhǔn)，將其設(shè)定為5.3～ 5.7 mm.圖2 和圖3 為不同下壓量條件下所得高速FSW 接頭的表面和截面的宏觀形貌.

圖2 焊縫表面形貌Fig.2 Surface morphology of welded joints.(a) press amount 5.3 mm;(b) press amount 5.4 mm;(c) press amount 5.5 mm;(d) press amount 5.6 mm;(e) press amount 5.7 mm

當(dāng)下壓量為5.3 mm 時(shí)，可以明顯看到焊縫中部存在未焊合情況，此時(shí)與攪拌針針長(zhǎng)相當(dāng)，由于攪拌頭軸肩內(nèi)凹設(shè)計(jì)，軸肩與工件表面沒(méi)有充分摩擦，因此焊縫成形質(zhì)量較差.當(dāng)下壓量為5.4 mm時(shí)，接頭整體呈現(xiàn)焊合狀態(tài)，但中間存在氣孔缺陷，且焊縫前進(jìn)側(cè)存在較小尺寸的飛邊結(jié)構(gòu)，推測(cè)其成因是由于軸肩下壓仍然不充分，材料高溫狀態(tài)下軟化后與軸肩之間存在縫隙，部分材料在攪拌頭旋轉(zhuǎn)作用下被帶出，形成飛邊缺陷.當(dāng)下壓量為5.5 mm 和5.6 mm 時(shí)，焊縫成形質(zhì)量較好，達(dá)到無(wú)需后道打磨工序的狀態(tài)，兩者相比下壓量為5.5 mm 更優(yōu).當(dāng)下壓量增大到5.7 mm 時(shí)，焊縫表面和母材表面存在明顯高度差，即發(fā)生了接頭厚度減薄，表明此時(shí)攪拌頭下壓量過(guò)大.

2.2 焊縫組織結(jié)構(gòu)

選取下壓量為5.5 mm 狀態(tài)下的焊接接頭，觀測(cè)其微觀組織形貌，如圖4 所示.接頭組織呈現(xiàn)出典型攪拌摩擦焊焊縫特征，由焊核區(qū)(NZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)和熱影響區(qū)(HAZ)三個(gè)區(qū)域組成，前進(jìn)側(cè)和后推側(cè)存在不對(duì)稱的TMAZ 和HAZ.焊縫中心受攪拌頭直接作用的NZ 呈盆狀，上半部分較寬，主要受到軸肩的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)作用；中、下部分較窄，主要受到攪拌針的直接攪拌作用.

圖4 焊縫組織微觀形貌Fig.4 Microstructure of welded joint.(a) the overall microstructure of the joint;(b) base metal;(c) weld-nugget zone;(d) heat-affected zone;(e) thermo-mechanically affected zone

圖4b～ 4e 反映了采用基準(zhǔn)工藝參數(shù)所得接頭的各區(qū)晶粒形態(tài).可以看出，NZ 在劇烈塑性變形和高焊接熱輸入的聯(lián)合作用下，發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了細(xì)小的等軸晶粒.HAZ 沒(méi)有發(fā)生塑性變形，只經(jīng)歷了較低的焊接熱輸入，晶粒形態(tài)與母材相似，只是晶粒發(fā)生了一定程度的粗化.TMAZ 未受到攪拌頭的直接攪拌作用，但在NZ 塑性金屬粘滯力的帶動(dòng)下發(fā)生了拉長(zhǎng)彎曲變形，與NZ 組織形態(tài)差異較大，兩者間出現(xiàn)分界面，這是由兩側(cè)塑性材料的流動(dòng)差異造成的.

2.3 焊縫力學(xué)性能

選取下壓量5.5 mm 標(biāo)準(zhǔn)接頭制得的拉伸試樣，測(cè)定其拉伸曲線如圖5 所示，表現(xiàn)為無(wú)明顯屈服平臺(tái)的塑性材料特征，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為196.5 MPa 和111.0 MPa，根據(jù)EN 755-2[13]標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了母材的75%.

圖5 焊接接頭拉伸曲線Fig.5 Tensile curve of welded joint

改變下壓量，分別測(cè)得焊接接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，如圖6 所示.當(dāng)下壓量為5.3 mm 時(shí)，根據(jù)前述結(jié)果，焊縫中部存在未焊合情況，因此其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較低.當(dāng)下壓量為5.4～5.7 mm 時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度無(wú)明顯變化趨勢(shì)，表明攪拌摩擦焊工藝良好的穩(wěn)定性.

圖6 焊縫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength and yield strength of welded joints

2.4 焊縫顯微硬度

無(wú)缺陷焊接接頭的力學(xué)性能取決于顯微硬度分布，顯微硬度是接頭各區(qū)強(qiáng)化程度的宏觀反映，而可熱處理強(qiáng)化鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)的強(qiáng)化機(jī)制可能包括固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等.

不同下壓量條件下未經(jīng)熱處理的焊接接頭顯微硬度分布如圖7 所示，其中各接頭的軟化區(qū)寬度基本相同，NZ 和TMAZ 的顯微硬度變化不顯著，焊縫兩側(cè)硬度極小值均出現(xiàn)在HAZ，且數(shù)值非常接近，這與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭的硬度值空間分布一致[15].隨著下壓量的增大，軟化區(qū)寬度出現(xiàn)輕微增加的情況，最小硬度值對(duì)應(yīng)的位置向外偏移，NZ 的顯微硬度在下壓量為5.6 mm 時(shí)達(dá)到極小值.總的來(lái)看，焊核區(qū)硬度約為60 HV，較母材下降25～ 30 HV.

圖7 焊縫顯微硬度Fig.7 Microhardness of welded joints

2.5 接頭公差分析

與熔化焊相比，F(xiàn)SW 對(duì)工裝要求較高.一方面是由于FSW 實(shí)施過(guò)程中，工件要承受較大的軸向下壓力和徑向扭轉(zhuǎn)載荷；另一方面，需要保證型材之間良好的接觸配合，以保證材料在攪拌頭作用下順利流動(dòng).對(duì)于車(chē)體雙層中空型材，由于其采用鋁合金擠壓工藝，除了本身斷面上的制造誤差，長(zhǎng)度方向上的扭擰等都會(huì)影響裝配精度.

為了檢驗(yàn)型材接頭拼接公差對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響，在焊縫中心一側(cè)的工件表面進(jìn)行機(jī)加工，從而以人為的方式預(yù)置錯(cuò)邊量，加工寬度大于靜軸肩半徑.在這里定義接頭錯(cuò)邊量Δt，Δt＞ 0 表示前進(jìn)側(cè)表面比后退側(cè)高，Δt＜ 0 表示前進(jìn)側(cè)表面比后退側(cè)低.試驗(yàn)中攪拌頭下壓量為5.5 mm(以未進(jìn)行機(jī)加工的較高一側(cè)上表面為基準(zhǔn)).

圖8 為不同接頭錯(cuò)邊量條件下所得高速FSW 接頭的表面形貌.當(dāng)前進(jìn)側(cè)表面比后退側(cè)高時(shí)，此時(shí)在攪拌頭和軸肩作用下，部分金屬在軸肩和后退側(cè)之間的縫隙被壓出，壓出后不再參與塑性層的流動(dòng)，因而會(huì)在后退側(cè)產(chǎn)生形成飛邊缺陷的趨勢(shì).特別是縫隙較大時(shí)，如圖8b 所示，形成明顯的飛邊缺陷.當(dāng)前進(jìn)側(cè)表面比后退側(cè)低時(shí)，此時(shí)在攪拌頭和軸肩作用下，部分金屬同樣在軸肩和后退側(cè)之間的縫隙被壓出，壓出后仍然會(huì)參與塑性層的流動(dòng).然而，由于此時(shí)前進(jìn)側(cè)溫度較低，特別是當(dāng)溫度差異較大時(shí)，被壓出的金屬一部分接觸前進(jìn)側(cè)表面預(yù)冷凝固，從而造成流動(dòng)性變差，影響焊縫成形質(zhì)量，如圖8d 所示.

圖8 焊縫表面形貌Fig.8 Surface morphology of welded joints.(a) Δt=0.5 mm;(b) Δt=1 mm;(c) Δt=-0.5 mm;(d) Δt=-1 mm

分別測(cè)得不同接頭錯(cuò)邊量條件下所得焊接接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，如圖9 所示.當(dāng)錯(cuò)邊量Δt絕對(duì)值小于0.5 mm 時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降范圍可控制在10%以內(nèi).當(dāng)錯(cuò)邊量Δt絕對(duì)值大于0.5 mm 時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降顯著.因此，型材在焊接過(guò)程中應(yīng)盡可能將裝配錯(cuò)邊量控制在0.5mm 以內(nèi).

圖9 不同錯(cuò)邊量狀態(tài)下焊縫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度Fig.9 Tensile strength and yield strength of welded joints under different tolerances

3 結(jié)論

(1)研究中采用軸肩內(nèi)凹設(shè)計(jì)的攪拌頭，無(wú)需其他特殊工藝，即可獲得無(wú)減薄的型材FSW 接頭，且下壓量5.5 mm 時(shí)焊縫成形質(zhì)量最好；

(2)無(wú)減薄工藝條件下，所得FSW 接頭抗拉強(qiáng)度為196.5 MPa，達(dá)到母材的75%，且在下壓量5.4～ 5.7 mm 時(shí)保持了較好的一致性；

(3)無(wú)減薄工藝條件下，鋁合金型材接頭拼接公差在±0.5 mm 以內(nèi)時(shí)，接頭強(qiáng)度下降可控制在10%以內(nèi).