車用鋁合金攪拌摩擦點焊工藝

張　強，高　輝，周燦豐，焦向東

（北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

車用鋁合金攪拌摩擦點焊工藝

張強，高輝，周燦豐，焦向東

（北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

針對2 mm厚6082-T6鋁合金搭接攪拌摩擦點焊進行工藝研究，以轉(zhuǎn)速、下扎時間、回填時間、下扎深度為變量，進行不同試驗，通過測量不同參數(shù)下的剪切強度、觀察金相組織，獲得了2 mm厚6082-T6鋁合金搭接點焊的優(yōu)化工藝參數(shù)。試驗表明，最佳轉(zhuǎn)速為2 100 rpm，最佳下扎時間為3 s，最佳回填時間為3 s，最佳下扎深度為2.7 mm。

車用鋁合金；攪拌摩擦點焊；剪切強度

0　前言

鋁合金材料已廣泛應用于汽車制造等多個領(lǐng)域，其對減輕汽車質(zhì)量有很大幫助。鋁可代替兩倍質(zhì)量的鋼或鐵，每使用一磅鋁材就能減少9.07 kg的CO2排放。通過合理的設計，在汽車制造上用鋁代替鋼后，汽車質(zhì)量每減輕10％，燃油消耗就能節(jié)省約6％～8％[1]。

汽車覆蓋件的外板通常使用6000系列鋁合金，板材厚度1.0～2.0 mm，其優(yōu)點是成形后不出現(xiàn)拉伸應變表面缺陷[2]。當采用傳統(tǒng)的電阻點焊焊接鋁材時，電極壽命較低，而伴隨電極的變質(zhì)容易產(chǎn)生焊接缺陷，焊接質(zhì)量明顯下降。攪拌摩擦點焊FSSW（Friction Stir Spot Welding）是為了彌補傳統(tǒng)電阻點焊技術(shù)的不足，由日本馬自達公司等研發(fā)的新型焊接技術(shù)。其接頭表面質(zhì)量好、光滑、無缺陷，剪切強度不低于電阻焊，而且大幅度降低了加工能耗和成本，若將目前的電阻點焊設備改造為鋁合金攪拌摩擦點焊設備后能量消耗減少了99％，設備投資節(jié)省了40％[3]。因此，本試驗利用回填式攪拌摩擦點焊技術(shù)，研究不同的焊接工藝參數(shù)對6082-T6鋁合金焊接接頭的組織及力學性能的影響。

1　試驗材料及方法

焊接對象為6082-T6鋁合金板材，板材尺寸為140 mm×50 mm×2 mm，焊接前需去除表面氧化層，焊接方式為搭接。以轉(zhuǎn)速、下扎時間、回填時間、下扎深度為變量，進行多組不同試驗。試驗參數(shù)的選擇通過正交試驗來進行，正交試驗如表1所示。按照試驗組數(shù)，每組參數(shù)做5個試樣，焊后觀察接頭宏觀形貌，取3個做力學剪切，2個做金相，而后根據(jù)數(shù)據(jù)分析，得出最優(yōu)參數(shù)。

圖1　攪拌摩擦點焊試件Fig.1Specimen of FSSW

2　試驗結(jié)果及分析

表1為各組試驗對應的剪切強度，其數(shù)值為每組3個試樣剪切強度的平均值。根據(jù)這25次試驗結(jié)果來分析因素各水平對剪切強度的影響。轉(zhuǎn)速1 800 rpm的是第1、2、3、4、5號試驗，其剪切強度均值為27.052 MPa；轉(zhuǎn)速2 100 rpm的是第6、7、8、9、10號試驗，其剪切強度均值為28.368 MPa；轉(zhuǎn)速2 400 rpm的是第11、12、13、14、15號試驗，其剪切強度均值為20.486 MPa；轉(zhuǎn)速2 700 rpm的是第16、17、18、19、20號試驗，其剪切強度是均值是20.500 MPa；轉(zhuǎn)速3 000 rpm的是第21、22、23、24、25號試驗，其剪切強度均值是28.134 MPa。顯然轉(zhuǎn)速2 100 rpm剪切強度最高，轉(zhuǎn)速2 400 rpm最差，兩者的極差R=28.368-20.486=7.882 MPa。它表示采用轉(zhuǎn)速2 100 rpm比采用轉(zhuǎn)速2400 rpm的剪切強度平均值提高7.882 MPa。同樣的方法可比較下扎時間、回填時間、下扎深度對試驗結(jié)果的影響。可得出最佳轉(zhuǎn)速為2 100 rpm，最佳下扎時間為3 s，最佳回填時間為3 s，最佳下扎深度為2.7 mm。下扎時間極差R=25.162，對剪切強度影響最大的因素為下扎時間。

表1　正交試驗Tab.1Intuitive analysis of orthogonal experiment

6082-T6鋁合金搭接焊點除未焊合組參數(shù)外，其他組經(jīng)X光射線檢測均未發(fā)現(xiàn)缺陷。最優(yōu)參數(shù)下的焊點表面宏觀形貌如圖2所示。

通過前面剪切強度計算，8#、9#、10#號試驗剪切強度較大，現(xiàn)選取其金相進行觀察，分別如圖3a～圖3c所示，可看到其焊點底部中心區(qū)域均有缺陷。其中剪切強度不大，但金相完好的試件19#、20#、21#分別如圖3d～圖3f所示。

3　結(jié)論

2 mm厚6082-T6鋁合金搭接攪拌摩擦點焊的最佳工藝參數(shù)為：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度2 100 rpm，下扎時間3 s，回填時間3 s，下扎深度2.7 mm。其中，下扎時間對焊接接頭剪切強度影響最大。

圖2　宏觀形貌Fig.2Macro morphology figure

圖3　金相觀察Fig.3Metallographic observation figure

除未焊合組參數(shù)之外，其他接頭組織經(jīng)X光射線檢測均未發(fā)現(xiàn)缺陷。通過對剪切強度和金相觀察可知，剪切強度大的試件其焊縫不一定完好。

[1]AMTS展會-2010上海國際汽車制造技術(shù)與裝備及材料展覽會（2010年8月11-14日）.Novelis鋁合金板材—車身輕量化的解決方案[EB/OL]，2010-01-01.

[2]Iwashita T.Method and apparatus for joining[P].U.S.Patent 6601751 B2，August 5，2003.

[3]Mohamed Merzoug，Mohamed Mazari，Lahcene Berrahal，et al.Parametric studies of the process of friction spot stir welding of aluminium 6060-T5 alloys[J].Materials and Design，2010（31）：3028.

Friction stir spot welding technology on automotive aluminum alloy

ZHANG Qiang，GAO Hui，ZHOU Canfeng，JIAO Xiangdong
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

Focus on the process of friction stir spot welding of 2 mm thick 6082-T6 aluminum alloy,experiment was carried out with different rotation speed，penetration time，refilling time and penetration depth.The optimized process parameters of 2 mm thick 6082-T6 aluminum alloy were obtained by measuring the shearing strength and observation of metallographic organization.Experiments show that the optimal rotation speed is 2 100 rpm，the optimal penetration time is 3 s，and the optimum refilling time is 3 s，the optimum penetration depth is 2.7 mm.

automotive aluminum alloy；friction stir spot welding；shearing strength

TG453+.9

A

1001－2303（2016）05－0006-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.02

2016－01－06；

2016－02－20

北京市教育委員會項目；2014年度北京市屬高等學校長城學者培養(yǎng)計劃（CIT&TCD20140316）

張強（1987—），男，山東濟寧人，碩士，主要從事水下焊接工藝方面的研究工作。