攪拌頭尺寸對鋁合金T型接頭攪拌摩擦焊組織與性能的影響

屈志軍,　宮文彪,　劉　杰，　李文曉

(1.中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春　130062;2.長春工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春　130012;3.航天工程裝備(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 100145)

0　引　言

攪拌摩擦焊技術憑借高質(zhì)、高效、節(jié)能及環(huán)保的獨特優(yōu)勢，自1991年發(fā)明以來，歷經(jīng)20多年的技術研發(fā)和工程化推廣，已經(jīng)在國內(nèi)外各個領域得到了廣泛應用。目前，軌道車輛制造行業(yè)發(fā)展迅速，列車速度在不斷提高，對焊接質(zhì)量的要求也日益嚴苛，先進的攪拌摩擦焊技術是可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)MIG弧焊，成為鋁合金車體焊接工藝中的主流，現(xiàn)在多采用對接和對搭接接頭型式[1-3]。而對國內(nèi)焊接行業(yè)來說，T型接頭攪拌摩擦焊技術的研究尚不夠深入，實際應用的案例較少，主要原因在于T型接頭的攪拌頭設計與焊接板厚、產(chǎn)品結構及焊接材料息息相關，其設計制造需要定制，同時焊縫缺陷質(zhì)量檢測尚未突破[4-5]。

文中著重分析了攪拌頭尺寸對鋁合金T型接頭攪拌摩擦焊組織與性能的影響，為加快攪拌摩擦焊技術在鋁合金車體部件上拓展應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1　試驗材料與方法

試驗用材料為4 mm厚的5083-O鋁合金蒙皮板材壁板和8 mm厚的6082-T6筋板板材，化學成分見表1。

表1　鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù))　　　　　 　　　　　　　　　%

焊接蒙皮板材和筋板板材尺寸分別為600 mm ×150 mm×4.0 mm和600 mm×150 mm×8.0 mm，組配成T型接頭型式，實施焊接工藝試驗如圖1所示。

圖1　T型接頭組配的示意圖

焊接試驗在攪拌摩擦焊專用設備上進行，采用設計的不同尺寸的單軸肩攪拌頭。為了研究攪拌頭尺寸因素對鋁合金T型接頭攪拌摩擦焊組織性能的影響，除了考慮攪拌頭尺寸設計變化之外，其它工藝因素一致，選擇統(tǒng)一的焊接工藝參數(shù)，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min、焊接速度為500 mm/min和前傾角為2.5°的工藝條件下，獲得了成型良好焊接接頭。

焊接試驗完成后，機加制取金相和拉伸試樣。拉伸試驗在室溫條件下，在CMT4304型電子萬能試驗機上分別進行T方向和L方向拉伸試驗，加載速率10 mm/min，L方向拉伸試驗示意圖如圖2所示。

圖2　L方向拉伸試驗示意圖

2　試驗結果與分析

2.1　攪拌頭關鍵尺寸焊接試驗

攪拌摩擦焊接過程中不需要其它焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑及保護氣體等，唯一消耗的是攪拌頭，而攪拌頭的尺寸設計直接影響摩擦熱源的產(chǎn)生、塑形金屬的流動及焊縫成形質(zhì)量等。攪拌摩擦焊用攪拌頭的合理設計是攪拌摩擦焊技術成功應用的關鍵，攪拌頭設計參數(shù)示意圖如圖3所示。

圖3　攪拌頭設計參數(shù)示意圖

試驗用攪拌頭設計參數(shù)見表2。

表2　不同尺寸攪拌頭參數(shù)表　　　mm

采用表2中的1#和2#攪拌頭實施焊接試驗，使用不同攪拌頭焊接后的接頭低倍組織如圖4所示。

(a) 1#攪拌頭接頭低倍組織

(b) 2#攪拌頭接頭低倍組織

由圖4可見，使用1#攪拌頭獲得的焊接接頭橫截面前進側(cè)出現(xiàn)孔洞型缺陷，接頭腐蝕后分區(qū)不明顯，沒有明顯的金屬流動形態(tài)；而使用2#攪拌頭獲得的焊接接頭成型良好，無隧道、孔洞等缺陷，有明顯的金屬流動形態(tài)。此外，從低倍照片可清晰看出，蒙皮板與筋板的搭接結合處存在明顯的3個區(qū)域，分別定義為未焊合區(qū)、有效結合區(qū)和弱結合區(qū)。未焊合區(qū)的出現(xiàn)是由于攪拌針尺寸過小導致的，攪拌針的直徑并不能有效覆蓋筋板的板厚；有效結合區(qū)出現(xiàn)在前進側(cè)，呈明顯的鐮刀狀，這是由于前進側(cè)受到劇烈的攪動使得蒙皮板和筋板塑性金屬形成有效地結合；弱結合區(qū)普遍存在接頭后退側(cè)，即使位于攪拌針的攪拌區(qū)域內(nèi)，也發(fā)生了塑性變形，但未形成如前進側(cè)一樣的有效連接。

不同攪拌頭實施焊接試驗后獲得的T型接頭在T方向和L方向拉伸試驗結果見表3。

表3　不同攪拌頭T型接頭拉伸結果

由表3可以看出，1#攪拌頭T型接頭沿T方向抗拉強度為193 MPa，斷裂發(fā)生在前進側(cè)熱力影響區(qū)；T型接頭沿L方向抗拉強度為32 MPa，斷裂發(fā)生搭接結合處。而2#攪拌頭T型接頭沿T方向抗拉強度為256 MPa，斷裂發(fā)生在后退側(cè)熱影響區(qū)；T型接頭沿L方向抗拉強度為105 MPa，斷裂發(fā)生在搭接結合處。

不同攪拌頭焊接接頭拉伸斷裂位置如圖5所示。

圖5不同攪拌頭焊接接頭拉伸斷裂位置

從上述試驗結果可以看出，攪拌頭的尺寸對于焊接接頭性能有著重要的影響，攪拌頭的尺寸關鍵參數(shù)包括軸肩尺寸、針長和頂端直徑。下面分別對軸肩尺寸、針長及攪拌針頂端直徑對T型接頭性能的影響進行了對比分析。

2.2　頂端直徑對T型接頭性能的影響

分別使用表2中的2#、3#和6#攪拌頭進行焊接，攪拌頭軸肩尺寸為20 mm(上述試驗效果較好的軸肩尺寸)，頂端直徑分別為5.5 mm、6.0 mm及6.5 mm，采用相同的焊接工藝參數(shù)進行焊接。

接頭抗拉強度曲線如圖6所示。

圖6　頂端直徑對接頭抗拉強度的影響

由圖6可見，隨著攪拌針頂端直徑的增加，T方向抗拉強度由5.5 mm時的256 MPa降低到6.0 mm時的210 MPa，6.5 mm的焊縫成形較差，內(nèi)部形成隧道型缺陷；L方向抗拉強度由5.5 mm時的105 MPa升高到6.0 mm時的114 MPa，6.5 mm的焊縫成形較差，內(nèi)部形成隧道型缺陷，因此，相對較優(yōu)的攪拌針頂端直徑為5.5～6.0 mm。

2.3　軸肩直徑對T型接頭性能的影響

攪拌頭軸肩的作用是與工件表面摩擦產(chǎn)生大量的熱量,可以使金屬軟化，同時對軟化金屬持續(xù)施加壓力。

分別使用表2中2#、5#和7#攪拌頭進行焊接，攪拌針頂端直徑為5.5 mm(上述摸索試驗效果較好的頂端直徑)，軸肩直徑分別為20 mm、18 mm及15 mm，采用相同的焊接參數(shù)進行焊接，接頭抗拉強度曲線如圖7所示。

圖7　軸肩直徑對接頭抗拉強度的影響

由圖7可見，隨著軸肩直徑的增加，T型接頭T方向抗拉強度由軸肩直徑為15 mm時的焊縫表面無法有效成形，到軸肩直徑為18 mm時的接頭抗拉強度304 MPa，隨后降低到軸肩直徑為20 mm時的接頭抗拉強度256 MPa；而T型接頭L方向抗拉強度由軸肩直徑為15 mm時的焊縫表面無法有效成形，到軸肩直徑為18 mm時的接頭抗拉強度68 MPa，隨后增加到軸肩直徑為20 mm時的接頭抗拉強度105 MPa，因此相對較優(yōu)的軸肩直徑為20 mm。

隨著軸肩直徑的增加，相同焊接轉(zhuǎn)速下,大直徑軸肩的產(chǎn)熱高于小直徑軸肩的產(chǎn)熱，熱量的提高對于T方向來說，組織粗化、抗拉強度下降；但對于L方向來說,筋板受到的熱輸入更加充分，對于T型接頭焊縫成形更加有利，同時提高了接頭的力學性能。

2.4　攪拌針長度對T型接頭性能的影響

攪拌針的主要作用是使處于高塑性狀態(tài)的金屬在保持上下運動的同時，沿著攪拌針從前往后流動；此外攪拌針還可以攪碎焊接接頭處的氧化膜。攪拌針長度決定了焊縫焊核區(qū)組織沿板厚方向的尺寸，在蒙皮厚度一定的情況下，攪拌針長度選擇越長，插入筋板深度越大；而攪拌針的形狀對接頭成形起著重要作用，很多相關報道有關焊接缺陷的形成均與攪拌針形狀設計不合理有關[6-9]。攪拌針的形狀和尺寸及焊接工藝參數(shù)共同決定了焊接過程的產(chǎn)熱量和材料流動方式，從而確定了焊接溫度場和流場的性質(zhì)，而焊接的溫度場和流場則最終決定了攪拌摩擦焊接接頭的質(zhì)量。

采用表2中4#、6#和8#攪拌頭進行焊接，攪拌頭軸肩尺寸為20 mm 、頂端直徑為5.5 mm(上述摸索試驗效果較好)，攪拌針長度分別為6.5 mm、6.0 mm及5.5 mm，采用相同的焊接參數(shù)進行焊接，接頭抗拉強度如圖8所示。

圖8　攪拌針長度對接頭抗拉強度的影響

由圖8可見，隨著攪拌頭針長度的增加，T方向拉伸強度由5.5 mm時的接頭抗拉強度304 MPa，降到6.0 mm時的接頭抗拉強度285 MPa，最后到6.5 mm時的接頭抗拉強度有所增高至297 MPa，但變化幅度不大；L方向抗拉強度由5.5 mm時的108 MPa增高到6.0 mm時的144 MPa，隨后降低到6.5 mm時的77 MPa,因此相對較優(yōu)的攪拌針長度為6.0 mm。相對軸肩直徑大小而言，攪拌針的長度對于熱輸入量的影響較小，反而過長的攪拌針對接頭L方向的接頭抗拉強度不利。

攪拌頭的尺寸對焊接接頭的力學性能影響較大， 由上述試驗結果可以初步得出(4+8) mm的T型接頭鋁合金異質(zhì)材料組合選用的攪拌頭參數(shù)為軸肩20 mm、針長6.0 mm及頂端直徑5.5～6.0 mm為宜。

3　結　語

1)攪拌頭的尺寸設計對于T型接頭焊接質(zhì)量有著重要的影響，其關鍵參數(shù)包括軸肩尺寸、攪拌針長度和頂端直徑大??；設計合理的攪拌頭可獲得成型良好的焊接接頭，在蒙皮板和筋板的搭接結合處存在明顯的未焊合區(qū)、有效結合區(qū)和弱結合區(qū)。

2)(4+8) mm異質(zhì)鋁合金5083-O/6082-T6組合T型接頭選用的合適攪拌頭軸肩為20 mm、針長為6.0 mm及頂端直徑為5.5～6.0 mm。

3)在旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min和焊接速度為500 mm/min的工藝條件下，T型接頭沿T方向抗拉強度達到256 MPa，斷裂位置發(fā)生在后退側(cè)熱影響區(qū)；T型接頭沿L方向抗拉強度達到105 MPa，斷裂位置發(fā)生在搭接結合處。

參考文獻：

[1]劉杰,何廣忠，韓鳳武.攪拌摩擦焊技術在鋁合金車體制造中的推廣應用[J].金屬加工(冷加工),2016(4):839-841.

[2]張秋征，宮文彪，劉杰.6005-T6鋁合金厚板單面與雙面攪拌摩擦焊的性能比較[J].材料熱處理學報,2014,35(6):75-79.

[3]Krasnowski K, Hamilton C, Dymek S, et al. Influence of the tool shape and weld configuration on microstructure and mechanical properties of the Al 6082 alloy FSW joints[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering,2015,15:133-141.

[4]劉杰,楊景宏,王炎金,等.35 mm厚板鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能藝[J].焊接學報,2012,33(6):101-104.

[5]Zhao Y, Zhou L, Wang Q, et al. Defects and tensile properties of 6013 aluminum alloy T-joints by friction stir welding[J]. Materials & Design,2014,57:146-155.

[6]Felix Xaver, Muthu M, Jayabalan V. Effect of pin profile and process parameters on microstructure and mechanical properties of friction stir welded Al-Cu joints[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2016(26):984-993.

[7]Zhao Y H, lin S B, Wu L, et al. The influence of pin geometr yon bonding and mechanical properties in friction stir weld 2014 Al alloy[J]. Materials Letters,2005,59(23):2948-2952.

[8]劉守法,蔡云,吳松林.不同形狀攪拌頭異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的性能[J].機械工程材料,2014,38(3):80-84.

[9]劉杰，屈志軍，宮文彪.攪拌頭結構尺寸變化對接頭力學性能的影響[J].長春工業(yè)大學學報，2017,38(6):598-603.