S 線對鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭性能的影響

周 平，熊淑秋

（江西工程學(xué)院智能制造與能源工程學(xué)院，江西新余 338000）

S 線是鋁合金攪拌摩擦焊（FSW）接頭中常見的組織形態(tài)， 國內(nèi)外很多學(xué)者認(rèn)為焊態(tài)下FSW 接頭中S 線對接頭的性能沒有影響［1-2］。 隨著FSW 技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用， 需要更全面地考察FSW 接頭的性能。 如在高速列車行業(yè)中，對接頭拉伸性能、焊接受拉面為焊縫正面的彎曲（面彎）性能和受拉面為焊縫背面的彎曲（背彎）性能等進(jìn)行考察。 本文選取高速列車用6082-T6 鋁合金板材作為試驗(yàn)材料，系統(tǒng)研究工藝參數(shù)和接頭S 線形成的關(guān)系以及S 線對其接頭性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

采用5 mm 厚的6082-T6 鋁合金板材作為試驗(yàn)材料，將母材切割成幾何尺寸為300 mm × 150 mm ×5 mm 的板材，進(jìn)行板間攪拌摩擦焊接。攪拌頭材料為H13 鋼，軸肩直徑為20 mm。焊接參數(shù)為：攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 400、1 800 和2 200 r/min， 焊接速度分別 為50、100、150、200、250、300、400 和600 mm/min，攪拌頭傾角為2.5°。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

為揭示S 線微觀形貌特征， 焊后對接頭切割取樣， 分別采用拋光腐蝕+金相觀察和電解拋光+掃描電鏡觀察2 種方法對FSW 接頭焊核區(qū)S 線進(jìn)行觀察［3］。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653—2008 和GB/T2651—2008 分別對樣件（圖1）進(jìn)行彎曲試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)［4］。

圖1 拉伸試樣

2.1 S 線形貌

圖2 是不同焊接工藝參數(shù)（以轉(zhuǎn)速—焊接速度表示） 情況下利用光學(xué)顯微鏡觀察到的6082-T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)的S 線形貌。

圖2 焊接頭焊核區(qū)S 線形貌

從圖2 中可看出， 在光學(xué)顯微鏡下觀察到的S線為黑色曲線，S 線從焊核區(qū)底部以曲折的路徑貫穿到焊核區(qū)上表面， 光學(xué)顯微鏡下觀察到的不同焊接速度的S 線區(qū)別不大。

圖3 分別是攪拌頭轉(zhuǎn)速1 800 r/min、 焊接速度分別為100 mm/min 和400 mm/min 時電解拋光+掃描電鏡觀察的FSW 接頭S 線微觀圖。

圖3 掃描電鏡觀察S 線微觀圖

由圖3（a）可看到焊接速度為100 mm/min 時接頭S 線為一條不連續(xù)白色線，線中包含較多不連續(xù)微孔洞，這些微孔洞會造成接頭彎曲時沿S 線開裂。 由圖3（b）可發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接速度為400 mm/min 時接頭焊核區(qū)上部沒有白色線，接頭S 線表現(xiàn)為分布較多的破碎氧化鋁顆粒，此類S 線對接頭的力學(xué)性能幾乎沒有影響。 由此可知焊接工藝參數(shù)對接頭S 線的形成、微觀形貌及接頭力學(xué)性能有關(guān)鍵的影響，有必要對工藝參數(shù)對S 線的形成的影響機(jī)制進(jìn)行統(tǒng)計分析［5］。

圖4 為焊接工藝參數(shù)與接頭中S 線形成關(guān)系的統(tǒng)計圖。從圖4 可以看出，當(dāng)焊接參數(shù)為1 800 r/min-50 mm/min 和2 200 r/min-50 mm/min 時， 鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)在拋光腐蝕后沒有觀察到S 線，而其他參數(shù)對應(yīng)的接頭在焊核區(qū)均可觀察到S 線。

圖4 焊接工藝參數(shù)與接頭S 線形成關(guān)系統(tǒng)計圖

2.2 S 線對接頭彎曲性能的影響

圖5 和圖6 為攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 800 r/min， 焊接速度分別為100 mm/min 和400 mm/min 時6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭面彎試樣的宏觀形貌圖。 由圖5 可知，當(dāng)焊接速度為100 mm/min 時，接頭在面彎40°時發(fā)生明顯的開裂現(xiàn)象。從彎曲試樣的厚度方向可以明顯地看出， 裂紋沿著焊核區(qū)的上部S 線萌生并擴(kuò)展。 從圖6 中可以看出當(dāng)焊接速度增加400 mm/min 時，接頭面彎180°時并無裂紋產(chǎn)生。 這個結(jié)果說明，在不同的焊接工藝條件下接頭焊核區(qū)形成的S 線對接頭的力學(xué)性能影響不同。結(jié)合2 個試樣的焊接參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)， 在焊接速度為100 mm/min的相對低的焊接速度條件下獲得的接頭焊核區(qū)S線會對面彎性能產(chǎn)生不利的影響，即S 線的存在降低了焊核區(qū)的塑性。 而當(dāng)焊接速度增大，焊接熱輸入降低至一定程度時，焊核區(qū)S 線對接頭力學(xué)性能的不利影響消失。

圖5 1 800 r/min-100 mm/min 情況下接頭的面彎圖

圖6 1 800 r/min-400 mm/min 情況下接頭的面彎圖

圖7 不同工藝參數(shù)條件下FSW 接頭的面彎結(jié)果

2.3 S 線對接頭拉伸性能的影響

圖8 不同焊接參數(shù)下的接頭硬度曲線

圖9 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為保證1 800 r/min-100 mm/min 和2 200 r/min-100 mm/min 2 種不同參數(shù)下焊接接頭斷裂位置的可重復(fù)性，選取參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 的接頭為研究對象，對其追加了3 個拉伸試樣并進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)， 其拉伸的宏觀斷裂形貌和斷裂強(qiáng)度分別如圖10 和表2 所示。 從圖10 可以看出， 試樣1 接頭的拉伸斷裂位置位于熱影響區(qū)并呈45°剪切斷裂 （圖10（a）），另外4 個接頭的拉伸斷裂位置均位于焊核區(qū)并且裂紋沿著S 線的走向發(fā)生斷裂（圖10（b）、圖10（c）、圖10（d）和圖10（e））。 從表2 可以看出，焊核區(qū)的接頭強(qiáng)度要低于斷裂位于HAZ 的接頭強(qiáng)度。以上結(jié)果說明當(dāng)參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時，S 線對接頭拉伸強(qiáng)度的不利影響超越了熱影響區(qū)的軟化對接頭拉伸強(qiáng)度的不利影響，從而導(dǎo)致拉伸過程中裂紋沿著S 線形成并擴(kuò)展，且拉伸斷裂位置位于焊核區(qū)。

圖10 參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時接頭的拉伸斷裂位置宏觀形貌圖

表2 參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時接頭的拉伸強(qiáng)度

3 結(jié)論

1）在6082-T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭中，容易產(chǎn)生S 線，焊接速度為100 mm/min 時S 線主要為微孔洞，焊接速度為400 mm/min 時S 線表現(xiàn)為破碎氧化鋁顆粒。

2）在焊速相對較低且轉(zhuǎn)速較高的部分焊接參數(shù)下，S 線可明顯降低接頭彎曲性能，在其他條件下，S線對接頭的彎曲性能無影響。

3）當(dāng)焊接參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時，S線導(dǎo)致接頭在拉伸中產(chǎn)生沿S 線擴(kuò)展裂紋， 斷裂位于焊核區(qū)。參考文獻(xiàn)：

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