6005A-T6鋁合金型材攪拌摩擦焊工藝參數(shù)優(yōu)化

郁志凱，劉春寧，鈕旭晶，范東宇

（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金因其質(zhì)輕高強、可回收重熔等特點，越來越多地應(yīng)用于動車和地鐵等車體結(jié)構(gòu)中[1]。鋁合金材料對相應(yīng)的連接技術(shù)也提出更高的要求[2]。鋁及鋁合金的化學(xué)活潑性很強，極易在表面形成致密且難熔（Al2O3熔點約為2 050℃）的氧化膜，加之鋁合金的導(dǎo)熱性強，在使用傳統(tǒng)的熔化焊連接方法時容易形成不熔合及裂紋等缺陷。另外鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)大，采用高熱輸入的熔化焊時容易產(chǎn)生較大的翹曲變形。因此采用熔化焊方法焊接鋁合金對操作人員和焊接工藝要求很高。

攪拌摩擦焊是一種新型連接技術(shù)，它依靠攪拌頭與工件的摩擦產(chǎn)生熱量，使焊縫區(qū)域受熱形成塑性流動狀態(tài)，并通過攪拌針的攪拌作用達到連接的目的[3]。攪拌摩擦焊的焊接溫度是鋁合金熔點的0.7～0.9倍（約為470～560℃），熱輸入遠遠小于熔化焊，在焊接接頭區(qū)域能形成較小的溫度梯度，減小焊接變形，大大降低焊縫的殘余應(yīng)力。同時攪拌摩擦焊攪拌頭的軸肩在焊接過程中對焊縫表面施加一定壓力，使得焊縫表面更為光滑平整[4]。與傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊具有無飛濺、無煙塵、不需要填充材料和保護氣體、對操作者的技能要求不高、易實現(xiàn)高速自動化焊接等諸多優(yōu)點，在鋁合金焊接過程中優(yōu)勢明顯。本研究以某型號地鐵側(cè)墻板為依托，對6005A-T6鋁合金型材進行大量的工藝參數(shù)研究，通過對比驗證獲得最優(yōu)工藝參數(shù)，為實際焊接生產(chǎn)應(yīng)用提供有力的依據(jù)[5]。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗型材如圖1所示，長3m，分段焊接，每段焊接長度500 mm。焊接接頭為對搭接形式，接頭名義厚度4.5 mm，焊縫兩側(cè)均設(shè)計有厚度0.5 mm、寬11 mm的工藝補償凸臺，如圖2所示。型材材料為6005AT6鋁合金，化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

圖1 側(cè)墻板模型

圖2 對搭接接頭形式

表1 6005A-T6中空鋁型材的化學(xué)成分%

表2 6005A-T6中空鋁型材的力學(xué)性能

1.2 試驗設(shè)備和工裝

試驗設(shè)備為149廠生產(chǎn)的靜龍門攪拌摩擦焊設(shè)備，型號HT-JM10X40/2，具備主軸恒壓力控制系統(tǒng)。設(shè)備能提供的最大頂鍛力50 kN，主軸最大焊接轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大焊接速度3 000 mm/min。工裝為側(cè)墻板攪拌摩擦焊專用工裝，如圖3所示。

攪拌頭如圖4所示，其材質(zhì)為高速工具鋼，軸肩直徑18 mm，攪拌針長4.8 mm，攪拌針形狀為錐形，帶有螺紋，攪拌針直徑7.0mm（根部直徑7.2mm），軸肩位置開有開口型回攏槽。

圖3 設(shè)備及工裝

圖4 攪拌頭

1.3 試驗過程和方法

焊接前采用打磨機、千葉片和鋼絲刷等工具打磨清理焊縫及附近區(qū)域的氧化膜，然后使用清洗劑去除焊縫表面及附近區(qū)域的油污。

圖5 轉(zhuǎn)速、焊速參數(shù)分布

根據(jù)前期試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果，初步擬定150組焊接試驗參數(shù)，參數(shù)范圍如圖5所示，轉(zhuǎn)速ω為1 000～2 100 r/min，焊接速度 v 為 500～2 200 mm/min，焊接過程中保持攪拌頭的前傾角為2°，預(yù)熱時間1 s。

試驗初期不使用恒壓力控制系統(tǒng)，設(shè)定攪拌頭的壓入量為0.1 mm，對轉(zhuǎn)速和焊接速度參數(shù)進行初步篩選，同時打開壓力監(jiān)測系統(tǒng)測量頂鍛力的數(shù)據(jù)范圍。后期確定轉(zhuǎn)速和焊接速度后，再調(diào)節(jié)壓力參數(shù)，以獲得不同性能的焊縫接頭。

焊接完成后，對試件進行外觀檢測（ISO17637）和滲透檢測（ISO3452-1）。無損檢測合格后切取試件進行宏觀、微觀金相檢測以及拉伸（ISO4136）、彎曲（ISO5173）試驗，拉伸試樣尺寸如圖6所示。

圖6 拉伸試樣尺寸

2 試驗結(jié)果和分析

影響攪拌摩擦焊焊縫質(zhì)量的參數(shù)較多，其中最主要的是轉(zhuǎn)速、焊接速度以及焊接頂鍛力。本研究通過先調(diào)整轉(zhuǎn)速和焊接速度，獲得焊縫外觀較好的參數(shù)，然后調(diào)整焊接頂鍛力，獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。

2.1 轉(zhuǎn)速與焊接速度參數(shù)優(yōu)化

不同焊速與焊接速度下側(cè)墻板的焊縫外觀如圖7所示。在ω=1 000 r/min，v=1 100 mm/min的情況下，攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱不足，焊縫表面出現(xiàn)犁溝缺陷，同時有不易去除的大飛邊，降低焊接速度（見圖7b）或者提高轉(zhuǎn)速（見圖7c）均可消除犁溝缺陷，減少飛邊生成。在較高轉(zhuǎn)速、較低焊接速度下（見圖7d），攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱過多，焊縫表面出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，嚴重時可引起“起皮”缺陷。

2.2 焊接頂鍛力參數(shù)優(yōu)化

較好的焊速和焊接速度下，不同頂鍛力時側(cè)墻板的焊縫外觀與宏觀金相照片如圖8所示。

由圖8可知，在轉(zhuǎn)速和焊接速度相同的情況下，采用恒壓力進行焊接，較小的焊接頂鍛力（見圖8a）使得攪拌頭壓入工件較淺，接觸面積減少，焊接熱輸入降低，焊縫區(qū)域金屬塑性、流動性不足，出現(xiàn)小隧道等缺陷。當焊接頂鍛力（見圖8c）較大時，攪拌頭壓入工件過深，更多的金屬被擠壓出來形成較大飛邊，同時型材筋板不足以支撐如此大的頂鍛力，產(chǎn)生下塌，導(dǎo)致大隧道、焊洇及未焊滿等缺陷。

圖7 不同轉(zhuǎn)速、焊接速度參數(shù)下的側(cè)墻板焊縫外觀

最終確定側(cè)墻板攪拌摩擦焊的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 500 r/min、焊接速度1 100 mm/min、焊接頂鍛力13.5 kN。焊后焊縫成形美觀，表面無飛邊、毛刺等缺陷，內(nèi)部無隧道，抗拉強度可達215MPa，彎曲性能180°，不出現(xiàn)任何缺陷。該參數(shù)下的微觀金相和應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。

3 結(jié)論

（1）當轉(zhuǎn)速過低或焊接速度過高時，攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱不足，焊縫表面易出現(xiàn)“犁溝、飛邊”等缺陷；當轉(zhuǎn)速過高或焊接速度過低時，攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱過多，焊縫表面又會出現(xiàn)“毛刺、起皮”等缺陷。

（2）焊接頂鍛力較小時，攪拌頭壓入工件較淺，接觸面積少，焊接熱輸入低，易出現(xiàn)“隧道”等缺陷；焊接頂鍛力過大時，攪拌頭壓入工件過深，易形成“大飛邊”缺陷，同時，側(cè)墻板型材筋板不足以支撐這么大的頂鍛力，產(chǎn)生下塌，導(dǎo)致“隧道、焊洇及未焊滿”等缺陷。

（3）綜合考慮焊縫外觀成形質(zhì)量、金相結(jié)果以及力學(xué)性能等各因素，最終確定側(cè)墻板攪拌摩擦焊的最優(yōu)合格焊接工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 500 r/min、焊速1 100 mm/min、焊接頂鍛力13.5 kN。

圖8 不同頂鍛力參數(shù)下側(cè)墻板焊縫外觀與宏觀金相

圖9 最優(yōu)合格工藝參數(shù)下的微觀金相和應(yīng)力應(yīng)變曲線

參考文獻：

[1]欒國紅，胡煌輝，柴鵬.攪拌摩擦焊—新型列車制造新技術(shù)[J].電力機車與城軌車輛，2006，29（4）：40-44.

[2]宋東福，王海艷，戚文軍，等.鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀與展望[J].電焊機，2011，41（3）：50-54.

[3]蔣百威，吳志明，喬紅云，等.軌道車輛鋁合金6005A攪拌摩擦焊制造工藝[J].金屬加工，2013（20）：3525-3539.

[4]RADISAVLJEVIC I，ZIVKOVIC A，RADOVIC N，etal.Influence of FSW parameters on formation quality and mechanical propeities of Al 2024-T351 butt welded jointa[J].Science Direct，2013（23）：50-54.

[5]汪洪峰，汪建利，宋娓娓，等.7022鋁合金攪拌摩擦焊工藝參數(shù)的優(yōu)化[J].熱加工工藝，2013，42（9）：156-159.