6063鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織性能研究

趙運(yùn)強(qiáng) 鄧 軍 王春桂 董春林

(廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院),廣州 510651)

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6063鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織性能研究

趙運(yùn)強(qiáng) 鄧 軍 王春桂 董春林

(廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院),廣州 510651)

進(jìn)行了3 mm厚6063-T4鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接。結(jié)果表明，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為600 r/min，焊速在100～300 mm/min的范圍內(nèi)，可獲得表面成形美觀、內(nèi)部無(wú)缺陷的優(yōu)質(zhì)接頭。在接頭攪拌區(qū)內(nèi)，上、中、下各層硬度分布較為均勻，在熱機(jī)影響區(qū)及熱影響區(qū)內(nèi)，上、下層硬度值高于中間層。熱機(jī)影響區(qū)靠近攪拌區(qū)的位置以及熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)的交界處為接頭的兩個(gè)薄弱位置。隨著焊接速度的增加，接頭各區(qū)域硬度值以及抗拉強(qiáng)度有著先增大后減小的趨勢(shì)，所得最優(yōu)接頭抗拉強(qiáng)度為174 MPa，達(dá)到母材的87%，斷裂位置位于熱影響區(qū)。

6063鋁合金 雙軸肩攪拌摩擦焊 微觀組織 力學(xué)性能

0 序 言

攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)作為一種固相連接技術(shù)，與熔化焊相比，具有焊接質(zhì)量高、焊接變形小、無(wú)環(huán)境污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適用于鋁合金等低熔點(diǎn)金屬的焊接[1-2]。常規(guī)攪拌摩擦焊也稱(chēng)為單軸肩攪拌摩擦焊，所采用的攪拌頭由單一軸肩和攪拌針組成。焊接過(guò)程中需要對(duì)工件背部進(jìn)行剛性支撐，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)中空部件的焊接。雙軸肩攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭具有上、下兩個(gè)軸肩，下軸肩代替背部墊板對(duì)工件進(jìn)行隨焊支撐。因此，該技術(shù)可較好的實(shí)現(xiàn)中空部件的焊接[3-4]。

鋁合金由于其較高的比強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道客車(chē)及汽車(chē)制造等領(lǐng)域，其中，大量的鋁合金中空型材需要進(jìn)行焊接。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊已進(jìn)行了一定的研究，主要集中在2000，6000及7000系鋁合金[3-6]。

6063鋁合金具有較好的塑性和導(dǎo)熱性，被大量用于型材的制造。然而，針對(duì)于6063鋁合金僅有常規(guī)單軸肩攪拌摩擦焊的相關(guān)研究，而適用于中空型材焊接的雙軸肩攪拌摩擦焊研究仍未見(jiàn)報(bào)道。此外，相比于中厚板鋁合金，薄板鋁合金由于其散熱能力較差，自身剛性不足等原因?yàn)殡p軸肩攪拌摩擦焊增加了難度。針對(duì)以上問(wèn)題，文中選擇3 mm厚6063-T4鋁合金進(jìn)行雙軸肩攪拌摩擦焊研究，通過(guò)分析焊縫成型、接頭微觀組織及力學(xué)性能，揭示其雙軸肩攪拌摩擦焊的工藝特性，并為雙軸肩攪拌摩擦焊的應(yīng)用推廣提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

選用尺寸為3 mm × 50 mm × 300 mm的6063-T4鋁合金板材作為被焊材料，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。6063鋁合金為Al-Mg-Si系熱處理可強(qiáng)化鋁合金，主要沉淀相為Mg2Si。所用雙軸肩攪拌頭為平軸肩配合柱狀攪拌針，上、下軸肩直徑為16 mm，固定二者間隙為2.9 mm，攪拌針直徑為8 mm。焊接試驗(yàn)在FSW-3LM-003型龍門(mén)式攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行，焊前工件經(jīng)機(jī)械打磨后用丙酮擦拭，以去除表面氧化膜及油污。焊接時(shí)固定攪拌頭轉(zhuǎn)速為ω=600 r/min，焊接速度范圍為v= 50～300 mm/min。通過(guò)采用不同的焊速對(duì)工件進(jìn)行焊接，以對(duì)比研究焊速對(duì)接頭組織與力學(xué)性能的影響。焊后沿垂直于焊接方向截取接頭橫截面，經(jīng)打磨和拋光處理后，用混合酸溶液(1 mL氫氟酸+1.5 mL鹽酸+2.5 mL硝酸+95 mL水)對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，用光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行接頭微觀組織分析。在拋光試樣的橫截面上，采用顯微硬度計(jì)分別對(duì)接頭上、

中和下層進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)量位置距離焊縫上表面的距離分別為0.75 mm, 1.5 mm和2.25 mm。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸測(cè)試方法》，利用數(shù)控電火花切割機(jī)將接頭加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸式樣。每個(gè)工藝參數(shù)下所獲得的接頭選取三個(gè)拉伸式樣在INSTRON-1186力學(xué)性能測(cè)試機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并以結(jié)果的平均值作為拉伸性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)采用掃描電鏡(SEM)對(duì)拉伸式樣的斷口特征進(jìn)行分析。

表1 6063-T4鋁合金化學(xué)成分及力學(xué)性能

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫成形

不同焊速下焊縫表面成形如圖1所示。當(dāng)焊速較低時(shí)(v= 50 mm/min)，較大的焊接熱輸入造成焊縫金屬過(guò)分軟化，塑性金屬粘度較低，因此無(wú)法很好的跟隨旋轉(zhuǎn)攪拌頭由焊縫的后退側(cè)(RS)向前進(jìn)側(cè)(AS)回填。最終，滯留在焊縫后退側(cè)的塑性金屬形成了較大飛邊。由于回填不充分，在焊縫前進(jìn)側(cè)形成了明顯的溝槽缺陷。此外，過(guò)度軟化的塑性金屬也導(dǎo)致焊縫表面的弧形紋的不平整，如圖1a和圖1b所示。隨著焊接速度增加至100 mm/min，焊縫后退側(cè)飛邊顯著減小，前進(jìn)側(cè)的溝槽缺陷消失。當(dāng)焊接速度在100～300 mm/min的范圍內(nèi)，均能得到良好的焊縫成形，且隨著焊速的增加，焊縫表面弧形紋更加平整。此外，由于焊接過(guò)程中焊縫上表面具有更好的散熱條件，在同一焊接速度下，焊縫上表面較下表面更為平整(圖1c～1f)。

圖1 不同焊速下焊縫表面成形

2.2 微觀組織

不同焊速下接頭橫截面宏觀形貌如圖2所示。與單軸肩攪拌摩擦焊相類(lèi)似，可將雙軸肩攪拌摩擦焊接頭分為攪拌區(qū)(SZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)和熱影響區(qū)(HAZ)，如圖2a所示。由于雙軸肩攪拌摩擦焊上、下兩個(gè)軸肩對(duì)稱(chēng)的熱機(jī)作用，導(dǎo)致攪拌區(qū)最終呈現(xiàn)上下對(duì)稱(chēng)的“啞鈴狀”形貌，即上、下表面寬而中間窄。雙軸肩攪拌作用更為強(qiáng)烈，攪拌區(qū)的寬度因此明顯大于攪拌針的直徑。

圖2 不同焊速下接頭橫截面

隨著焊接速度從100 mm/min增加至200 mm/min時(shí)，攪拌區(qū)的范圍有所增加(圖2a和2b)。當(dāng)焊速較低時(shí)，較高的焊接熱輸入造成塑性金屬粘度較小，能夠跟隨旋轉(zhuǎn)攪拌頭發(fā)生塑性流動(dòng)的塑性金屬也較少，因此攪拌區(qū)范圍較窄。而當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，攪拌頭在單位距離內(nèi)攪拌的時(shí)間較短，因此當(dāng)焊速超過(guò)200 mm/min時(shí)，繼續(xù)增加焊速，攪拌區(qū)范圍并未明顯增加(圖2b和2c)。

圖3為典型接頭不同區(qū)域微觀組織。其中，母材區(qū)未受到任何熱機(jī)作用，呈現(xiàn)出典型的軋制組織，晶粒及沉淀相沿軋制方向分布(圖3a)。攪拌區(qū)經(jīng)歷了劇烈的塑性變形和焊接熱循環(huán)，最終呈現(xiàn)出等軸晶形態(tài)，晶粒尺寸較母材有明顯的減小，說(shuō)明此區(qū)域發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，如圖3b所示。熱機(jī)影響區(qū)受到了攪拌區(qū)金屬的剪切作用，晶粒發(fā)生了一定的扭曲。在焊縫前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)附近可以觀察到材料由焊縫的上、下表面向焊縫內(nèi)部填充的跡象，如圖3c所示。此外，可以看出熱機(jī)影響區(qū)與攪拌區(qū)的分界線在前進(jìn)側(cè)更為明顯，而在后退側(cè)較為模糊(圖3c和3d)。這是由于在焊縫成形時(shí)，軸肩后方的塑性金屬是由后退側(cè)向前進(jìn)側(cè)填充的，因此后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)與攪拌區(qū)塑性金屬接觸時(shí)間更長(zhǎng)，塑性流動(dòng)方向更為一致。在較小的溫度和塑性變形差異下，后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)與攪拌區(qū)組織的過(guò)渡更為平緩，因此分界線在后退側(cè)較為模糊。熱影響區(qū)在焊接中只受到焊接熱作用，因此仍保留母材初始的軋制的組織形態(tài)。然而熱影響區(qū)內(nèi)的沉淀相在焊接熱作用下進(jìn)一步析出和粗化，因此與母材相比組織更易被腐蝕，晶粒形態(tài)也更為清晰(圖3e)。

圖3 典型接頭各區(qū)域顯微組織

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 顯微硬度分布

圖4給出了典型接頭橫截面維氏硬度分布云圖?？梢?jiàn)，熱機(jī)影響區(qū)靠近攪拌區(qū)的位置以及熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)交界處硬度值較低，為接頭的兩個(gè)薄弱位置。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，沉淀強(qiáng)化為主要的強(qiáng)化機(jī)制，同時(shí)伴隨著細(xì)晶強(qiáng)化及形變強(qiáng)化。熱影響區(qū)在焊接熱作用下沉淀相發(fā)生粗化，沉淀強(qiáng)化作用減弱，并且隨著向焊縫中心靠近，硬度值持續(xù)降低。熱機(jī)影響區(qū)雖然受到了更為嚴(yán)重的焊接熱作用，但較大的塑性變形在此區(qū)域引起了形變強(qiáng)化。攪拌區(qū)由于發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，較小的晶粒尺寸起到了細(xì)晶強(qiáng)化作用。因此以上兩個(gè)區(qū)域的硬度值會(huì)得到一定程度的補(bǔ)償。接頭的攪拌區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)硬度值均低于母材，組成了接頭的熱軟化區(qū)，其范圍大約為45 mm左右，明顯高于同型號(hào)鋁合金單軸肩攪拌摩擦焊。這是由于兩個(gè)軸肩產(chǎn)熱較大，且薄板鋁合金自身散熱能力較弱造成的。此外，在攪拌區(qū)內(nèi)，上、中、下各層硬度值較為均勻。而在熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)，靠近板材上、下表面的硬度值明顯高于板材中間層。這是由于熱機(jī)影響區(qū)上、下表面更靠近高速旋轉(zhuǎn)的軸肩，所產(chǎn)生的形變強(qiáng)化效果更為顯著。而熱影響區(qū)板材中心位置散熱條件較差，熱軟化更為嚴(yán)重。

圖4 v=200 mm/min時(shí)接頭橫截面顯微硬度分布云圖

不同焊接速度下接頭顯微硬度分布如圖5所示，隨著焊接速度的增加，接頭各區(qū)域硬度值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。對(duì)于攪拌摩擦焊過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量可以分為兩部分，即摩擦產(chǎn)熱和材料塑性變形產(chǎn)熱。其中摩擦產(chǎn)熱的功率主要與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度成正比。而當(dāng)焊速較高時(shí)，塑性變形產(chǎn)熱的功率與焊接速度成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，焊速較低時(shí)，摩擦生熱起到主導(dǎo)作用，塑性變形的產(chǎn)熱可以忽略，因此隨著焊速的增加，焊接熱輸入有所降低，顯微硬度值有所增加。當(dāng)焊速較快時(shí)，材料塑性變形引起產(chǎn)熱的效果開(kāi)始顯現(xiàn)，隨著焊速的增加，各區(qū)域的峰值溫度有所增加，因此硬度值有所下降。

圖5 同焊接速度下接頭顯微硬度分布

2.3.2 接頭拉伸性能

圖6給出了不同焊接速度下接頭抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率。當(dāng)焊接速度v=50 mm/min時(shí)，由于焊縫出現(xiàn)溝槽缺陷，接頭抗拉強(qiáng)度僅為11 MPa。隨著焊接速度的提升接頭抗拉強(qiáng)度顯著增加，并在焊速為200 mm/min時(shí)達(dá)到了最高值，為174 MPa，相應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率為15%，此時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的87%。繼續(xù)增加焊接速度接頭抗拉強(qiáng)度略有下降，這與顯微硬度的變化規(guī)律相似。

圖6 不同焊接速度下接頭抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率

當(dāng)焊速為100 mm/min時(shí)，熱機(jī)影響區(qū)受熱軟化較為嚴(yán)重，成為接頭薄弱位置，拉伸式樣在此區(qū)域發(fā)生了斷裂，如圖7a所示。當(dāng)焊速在150～300 mm/min的范圍內(nèi)，熱機(jī)影響區(qū)熱軟化作用減弱，變形強(qiáng)化作用得以顯現(xiàn)，因此拉伸式樣均在最薄弱的熱影響區(qū)發(fā)生斷裂。以上結(jié)果與接頭硬度最低值的位置相吻合。對(duì)拉伸式樣的斷口表面進(jìn)行了SEM觀察，可以看到斷口表面布滿了大小不等的圓形或橢圓形的韌窩，韌窩底部存在第二相強(qiáng)化質(zhì)顆粒，這是典型的韌性斷裂的形貌(圖7b)。

圖7 拉伸式樣斷裂位置及斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)進(jìn)行了3 mm厚6063-T4鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，焊接速度在100～300 mm/min的范圍內(nèi)，均可獲得成形美觀，無(wú)內(nèi)部缺陷的接頭。

(2)在攪拌區(qū)內(nèi)，上、中、下各層的硬度分布較為均勻。在熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)，靠近板材上、下表面硬度值高于中間層。

(3)熱機(jī)影響區(qū)靠近攪拌區(qū)的位置以及熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)的交界處為接頭的兩個(gè)薄弱位置。隨著焊接速度的增加，接頭各區(qū)域硬度值及抗拉強(qiáng)度有著先增大后減小的趨勢(shì)。

(4)在轉(zhuǎn)速600 r/min，焊接速度200 mm/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大的174 MPa，為母材的87%，斷后伸長(zhǎng)率為15%，斷裂位置為接頭的熱影響區(qū)。

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2016-12-19

廣東省科學(xué)院實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展能力建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2017GDASCX-0847)；廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015B090922011)；廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(2012A061400011)。

TG453.9

趙運(yùn)強(qiáng)，1986年出生，博士,工程師。主要從事攪拌摩擦焊接技術(shù)研究，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利10項(xiàng)，已發(fā)表SCI檢索論文9篇。