6082- T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊焊接接頭組織及性能

王世君,耿明,肖宇,王永亮,黃林

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 工程技術(shù)中心工程技術(shù)部，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，對(duì)列車減輕自重,提高接頭強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)安全性要求越來越高.厚板鋁合金擠壓型材的連接，目前主要是手工多層MIG焊，效率低，焊縫中常存在裂紋、氣孔等缺陷.攪拌摩擦焊(Friction Stri Welding,FSW )與MIG焊相比，具有焊接接頭強(qiáng)度高、無鋁合金熔化造成的缺陷、效率高等優(yōu)點(diǎn).FSW焊接薄板6082- T6鋁合金時(shí)其焊接接頭性能良好，抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的70%～78.5%.目前軌道客車鋁合金車體部件中如車頂板、側(cè)墻板及地板等薄板結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用FSW技術(shù).但對(duì)于焊接厚度20 mm以上的高強(qiáng)鋁合金研究中發(fā)現(xiàn)焊縫強(qiáng)度難以進(jìn)一步提高，如30 mm與35 mm厚板2219鋁合金FSW焊接頭抗拉強(qiáng)度分別為母材的62%和60%.因此厚板鋁合金FSW技術(shù)有很高的研究?jī)r(jià)值，本文對(duì)30 mm的6082- T6鋁合金進(jìn)行雙面攪拌摩擦焊對(duì)接焊，并對(duì)接頭整體以及接頭各層的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用6082- T6鋁合金板材，數(shù)量為2塊，焊接試樣尺寸規(guī)格為300 mm×100 mm×30 mm.

FSW焊接試驗(yàn)采用螺旋形攪拌頭.試驗(yàn)用攪拌頭的軸肩直徑為28 mm，錐形攪拌針根部直徑為8.4 mm，長(zhǎng)度為15.5 mm.焊接工藝參數(shù)：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度550 r/m，焊接速度為180 mm/min，下壓量為0.15 mm.焊接完成后沿焊縫橫向(垂直于焊接方向)分別制取金相試樣和拉伸試樣；分層性能試驗(yàn)樣品利用線切割沿試樣厚度方向等分為七層，以研究焊縫厚度方向力學(xué)性能的差異，見圖1.

圖1 焊縫分層取樣部位與拉伸試樣尺寸

在Nikon EPIPHOT300金相顯微鏡下觀察接頭微觀組織，使用HMV- 2000顯微硬度計(jì)測(cè)量接頭硬度分布；在JSM- 5600LV掃描電鏡(SEM)下觀察斷口微觀形貌.

2 驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫的微觀組織

在上述工藝條件下，30 mm厚6082- T6鋁合金雙面FSW焊縫橫截面的宏觀組織形貌如圖2所示，雙面FSW接頭橫截面形貌呈上下錐型對(duì)稱分布，中部能看到明顯的攪拌針作用的重疊部分.由內(nèi)向外對(duì)稱分布了三種不同微觀組織結(jié)構(gòu)的區(qū)域，分別是焊核區(qū)(簡(jiǎn)稱WNZ)、熱-力影響區(qū)(簡(jiǎn)稱TMAZ)、熱影響區(qū)(簡(jiǎn)稱HAZ).焊核區(qū)鄰近前進(jìn)側(cè)可見到明顯的攪拌針螺紋作用的區(qū)域.當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度比值變化時(shí)，攪拌頭前進(jìn)時(shí)后退側(cè)形成的空腔被塑性流動(dòng)金屬填充的位置即接合面也會(huì)隨之變化.

圖2 焊接接頭橫截面低倍形貌

顯而易見，焊縫與前進(jìn)側(cè)的母材過渡區(qū)(A)交界線清晰可見而后退側(cè)過渡區(qū)(B)交界線模糊不清.

圖3為焊縫纖維組織形貌，其中3(a)為6082- T6鋁合金雙面FSW焊縫頂部焊核區(qū)顯微組織.圖3(b)為焊縫底部交接位置焊核區(qū)顯微組織.焊核區(qū)組織仍為等軸晶，焊核區(qū)重疊部分的晶粒由于受到兩次機(jī)械攪拌作用，晶粒更加細(xì)小均勻.

圖3 焊縫顯微組織形貌

焊接過程中由于攪拌針的強(qiáng)力攪拌作用并產(chǎn)生高溫使母材軟化并發(fā)生塑性流動(dòng)形成焊縫.前進(jìn)側(cè)首先受到攪拌針的作用，但由于速度恒定及初始溫度較低，導(dǎo)致材料的塑性流動(dòng)不充分，出現(xiàn)明顯的螺旋紋.此側(cè)出現(xiàn)硬度最低點(diǎn)，也是易出現(xiàn)缺陷的區(qū)域.而后退側(cè)初始溫度較高，有利于材料的塑性流動(dòng)和母材的結(jié)合.如圖3(d)所示，前進(jìn)側(cè)過渡區(qū)左側(cè)為熱機(jī)械影響區(qū)，右側(cè)為焊核區(qū)，可以明顯的看到螺旋前進(jìn)紋的形貌以及清晰的結(jié)合線.圖3(c)為后退側(cè)過渡區(qū)形貌，左側(cè)為焊核區(qū)右側(cè)為熱機(jī)械影響區(qū)，看不到螺旋紋并且兩區(qū)無明顯的分界.對(duì)于焊核區(qū)金屬，在攪拌針強(qiáng)烈攪拌和摩擦共同作用下會(huì)產(chǎn)生局部高溫和發(fā)生顯著的塑性變形，較高的溫度加之應(yīng)變速率較大，使該區(qū)不斷的形成再結(jié)晶晶核，并只發(fā)生有限長(zhǎng)大.此外在焊接過程中，攪拌頭對(duì)該區(qū)晶粒也有一定的破碎作用，因此在該區(qū)形成了細(xì)小、均勻的晶粒.

2.2 焊縫的力學(xué)性能

表1為整體焊縫的拉伸試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)結(jié)果表明，雙面FSW方法焊接的焊接接頭的拉伸性能(Rm=199.34 MPa、ReL=136.75、A=7.8%)為母材的64.3%，參考文獻(xiàn)中對(duì)焊接厚度在20 mm以上的高強(qiáng)鋁合金厚板的進(jìn)行單面攪拌摩擦焊試驗(yàn),結(jié)果為30 mm與35 mm厚板2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度分別為母材的62%和60%，與本次試驗(yàn)結(jié)果相似.

表1 6082- T6雙面FSW焊縫整體拉伸性能

從表2可以看出，雙面FSW焊縫切片抗拉強(qiáng)度上層到中間部呈依此遞減，中間部到下層依此遞增的現(xiàn)象.雙面焊時(shí)下壓量較小，軸肩對(duì)焊縫上表面產(chǎn)生的摩擦熱較小，在保證焊接完成的前提下，又減小了熱影響區(qū)的過熱軟化的程度，所以焊縫上層沒有出現(xiàn)強(qiáng)度低點(diǎn).焊縫抗拉強(qiáng)度最低點(diǎn)出現(xiàn)在第四層(焊縫中心層)，抗拉強(qiáng)度為169.40 MPa，分析認(rèn)為，隨著焊接厚度的增加軸肩和母材摩擦產(chǎn)生的熱量從表面到內(nèi)部逐漸降低，存在一個(gè)溫度梯度，到底部時(shí)，支持工件的工裝也會(huì)增加底部的散熱，這樣底層的工件僅受焊針的攪拌作用，摩擦熱很低，導(dǎo)致了焊縫底部母材原子擴(kuò)散較弱，性能下降.雖然兩次焊接對(duì)焊縫重疊位置有一定的熱量補(bǔ)充，但此處仍然是整個(gè)焊縫的最薄弱環(huán)節(jié).焊縫的斷裂位置如圖4所示，焊縫從兩端前進(jìn)側(cè)熱機(jī)械影響區(qū)附近向中部焊核區(qū)延伸斷裂，第三、第四層斷裂位置為焊核區(qū).

表2 6082- T6雙面FSW焊縫沿厚度方向上各層的性能

圖4 焊縫分層切片斷裂位置及示意圖

2.3 焊縫的硬度分布

由于30 mm厚雙面FSW焊縫上下15 mm焊縫性能為對(duì)稱分布所以此處已上表面到中心15 mm焊縫進(jìn)行詳細(xì)硬度分析.圖5給出了雙面焊焊核區(qū)縱向0～15 mm的硬度分布，可以看到，隨著焊縫厚度的增加，硬度曲線雖然有一些小的波動(dòng)，但整體呈下降趨勢(shì).距離表面8 mm后下降的幅度明顯增加，這是由于雙面焊時(shí)重復(fù)加熱使得在厚板中心位置熱輸入量較多使得該區(qū)域軟化較嚴(yán)重造成的.在15 mm處硬度有明顯回升的趨勢(shì)，可能是該區(qū)域受到兩次攪拌作用，補(bǔ)充的焊接熱使得金屬塑性流動(dòng)性能提高及硬度提升.

圖5 焊核區(qū)硬度分布

2.4 雙面FSW焊縫拉伸斷口分析

圖6雙面FSW焊接試樣的拉伸斷口.斷口圖中孔洞相對(duì)較少且較淺，這和雙面焊接時(shí)熱輸入較高導(dǎo)致晶粒較大有關(guān).雙面焊時(shí)裂紋源為焊縫中部?jī)纱螖嚢柚丿B的位置，焊核區(qū)是熱和機(jī)械作用強(qiáng)烈的部位，晶粒雖然細(xì)小，但過熱嚴(yán)重致使鋁合金供貨時(shí)的淬火+失效強(qiáng)化作用損失較大.

圖6 焊縫斷口1 500倍SEM形貌照片

雙面焊斷口中韌窩壁更薄，韌窩更均勻，高倍下可見拉伸過程中的二次裂紋，可能是由于試樣被拉長(zhǎng)時(shí)變形困難產(chǎn)生的.所以認(rèn)為雙面FSW焊縫的拉伸性能優(yōu)于一般傳統(tǒng)MIG焊，通過選擇合適的工藝參數(shù)，有望獲得組織更為致密的焊縫，從而進(jìn)一步提高焊縫的抗拉強(qiáng)度.

3 結(jié)論

(1)雙面FSW焊縫整體的抗拉強(qiáng)度為199.34 MPa，為母材的64.3%，伸長(zhǎng)率為7.8%；雙面FSW焊縫切片抗拉強(qiáng)度呈上層到中間部依此遞減，中間部到下層依此遞增的現(xiàn)象.焊縫抗拉強(qiáng)度最低點(diǎn)出現(xiàn)在第四層(焊縫中心層)，抗拉強(qiáng)度為169.40 MPa；

(2)雙面FSW焊縫焊核區(qū)顯微硬度分布上部到中部為下降趨勢(shì)，中部到下部為上升趨勢(shì)；

(3)雙面FSW焊斷口中韌窩壁更薄，韌窩更均勻，高倍下可見拉伸過程中的二次裂紋，組織致密力學(xué)性能良好；

(4)對(duì)鋁合金型材簡(jiǎn)單對(duì)接且厚度在30～35 mm的焊縫，建議采用雙面攪拌摩擦焊技術(shù)來完成焊接.