6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織性能分析

劉巖 王曉民 江雨匯 萬學林 高巖

摘 要：試驗采用攪拌摩擦焊焊接6082-T6鋁合金薄板，研究刀具轉數、進給角、板厚等參數對焊縫宏觀形貌、微觀組織和力學性能的影響。結果表明，前進角度為3°時，焊縫宏觀形貌最佳;工具轉速為3 000 rpm，焊接速度為146 mm/min、196 mm/min時可以獲得良好的焊縫宏觀形貌;工具旋轉速度3 000 rpm、焊接速度196 mm/min焊接時，在攪拌區的中心出現帶狀結構的氧化膜，但與力學性能無相關性。

關鍵詞：鋁合金;攪拌摩擦焊;氧化膜

中圖分類號：TG453.9 文獻標識碼：A

0 序言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種較新的焊接工藝，無煙塵、不使用填充材料、可與鋁、銅、鎂、鋅、鋼、鈦等多種金屬合金配合使用[1]。在有色金屬連接方面具有獨特優勢而得到廣泛關注，特別是鋁合金焊接，已廣泛應用于各種材料工業，包括航空航天、造船、軌道交通等。目前，6系列鋁合金的FSW材料的研究相對較多，多數攪拌摩擦焊焊接的板厚為46 mm。6082-T6鋁合金由于焊接性能差，熔化焊方法焊接時存在氣孔、熱裂紋和焊接接頭軟化等問題，使得接頭強度無法滿足服役要求，且汽車車體材料一般為2 mm厚的薄板，在不去除氧化膜的條件下，調控摩擦攪拌焊的工藝參數用于6082-T6 2 mm厚鋁合金薄板焊接，使材料的微觀組織性能與FSW焊接4 mm以上厚度的板材相似就有現實意義。試驗研究刀具轉數、焊接進給速度、板厚等參數對宏觀形貌、微觀組織和力學性能的影響，研究結果為實現鋁合金材料高效高質量焊接加工奠定基礎。

1 試驗方法

試驗選用2 mm 6082-T6鋁合金平板，規格150 mm×100 mm，主要合金成分如表1所列。

試驗采用LT-XJ08-1510-05X小型靜龍門攪拌摩擦焊設備，組織觀察采用蔡司AXIO Observer A1m金相顯微鏡，硬度試驗采用THVS-5顯微維氏硬度計，拉伸試驗采用的為WDW-100型微機控制電子式萬能試驗機。

2 試驗結果分析

2.1 前進角、刀具轉速和焊接速度的影響

試驗前進角度選擇0°到5°，以1°為間隔，觀察焊縫的外觀形貌。試驗結果表明當前進角為0°時，從肩部的前方產生大量的毛刺。當前進角為4°或5°時，由于肩部與焊件接觸不充分也會產生大量的毛刺。當前進角度為1°和3°時，焊縫表面相對光滑，且前進角度為3°時，焊縫宏觀形貌最佳。

焊接試驗工具旋轉速度分別為535 rpm，830 rpm和3 000 rpm，焊接速度選擇17 mm/min～634 mm/min。當工具旋轉速度535 rpm時，接頭表面粗糙度較大，分析認為工具旋轉速度低時產生的摩擦熱較小，材料沒有充分地軟化，由于肩部的剪切力，焊縫在相對較低的溫度下強烈變形。

試驗結果表明在工具轉速為830 rpm時，可以獲得良好的焊縫宏觀形貌。工具轉速為3 000 rpm，焊接速度為146 mm/min、196 mm/min時可以獲得良好的焊縫宏觀形貌，但是在82 mm/min的焊接速度下，焊縫會產生大量的毛刺。

2.2 接頭橫截面的宏觀結構

當板厚在4 mm及以上時，TMAZ和HAZ之間的邊界線從焊件的前表面到后表面線性下降，在后表面附近時，會稍微向攪拌區中心收縮，形狀為酒杯類型。分析認為收縮的主要原因是，在厚板厚約4 mm的情況下，FSW接頭橫截面后表面附近的塑性流動受銷釘旋轉的影響更大，而不是受到從肩部的前表面到后表面的力的影響。

本試驗中，在FSW接頭橫截面中觀察到的TMAZ和HAZ之間的邊界線從焊件的前表面到后表面是線性的，如圖2.1所示，并且在焊接構件的后表面附近沒有太大的收縮，分析認為是試驗中采用的厚度約為2 mm的薄板焊接部件背面附近的塑性流動具有強烈的肩部影響。

時進行FSW焊接接頭橫截面低倍光學顯微鏡照片。圖中的中央部分為攪拌區域，虛線表示TMAZ和HAZ之間的邊界線，寬度朝著板底部線性變窄，未觀察到洋蔥狀的螺旋形，在攪拌部分的中央從底部到頂部觀察到黑帶狀結構。

圖2.2是工具旋轉速度為3 000 rpm、焊接速度為196 mm/min時進行FSW焊接接頭的橫截面。攪拌區域的形狀與圖2.1相同，但是觀察到黑帶結構左右起伏。

2.3 氧化膜對接頭橫截面宏觀結構的影響

焊接之前用1500號砂紙對焊接構件的焊接面進行拋光，采用與圖2.2相同的工具旋轉速度和焊接速度進行對比試驗。試驗結果表明攪拌部分的中心沒有出現黑帶狀結構。故在攪拌部的中央觀察到的帶狀結構認為是在焊接之前存在于焊件表面的氧化膜造成的。

如圖2.1和2.2所示，在板材截面方向攪拌區的中心觀察到黑帶狀圖案。與板厚為4 mm的6N01Al合金T5FSW材料的接頭截面結構相同。出現這種情況是由于在焊接之前焊接構件表面上已經存在氧化膜[2]。

試驗中工具旋轉速度3000 rpm和焊接速度196 mm/min焊接時，在攪拌區的中心均出現如圖2.2所示的帶狀圖案。

2.4 刀具旋轉螺距對接頭截面攪拌區形狀和氧化膜分布的影響

岡村等人[3]認為，攪拌部分的形狀取決于工具旋轉螺距，即每旋轉一圈的焊接距離（焊接速度/旋轉速度）。當工具旋轉螺距為0.3（mm/r）以上時，在焊縫表面的氧化膜以彎曲形狀分布，并且在這種情況下，攪拌部為酒杯型。當工具旋轉螺距為0.3（mm/r）以下時，焊縫表面的氧化膜以攪拌部為中心呈圓形分布，這時攪拌部成為洋蔥型。

本試驗旋轉螺距約為0.05～0.07（mm/r）。當增加旋轉螺距時，焊縫表面產生大量毛刺，這是因為肩部與焊件表面之間的摩擦熱增加并且焊件過度軟化。對于板厚為2 mm的薄板，分析認為難以像焊接厚板時在旋轉螺距大幅度變化的焊接條件下，獲得良好的焊接接頭。而且岡村等人[3]認為，氧化膜的形態（洋蔥形狀或帶狀）與拉伸性能之間無相關性，并且拉伸性能僅在未焊接的部分處惡化。故盡管本實驗觀察到的氧化膜是帶狀，但因焊接效率很高，約為90%，并且斷裂發生在攪拌區之外，因此可以獲得良好的焊接接頭。

3 結論

（1）前進角固定為3°，工具旋轉速度830 rpm·196 mm/min、3 000 rpm·196 mm/min時，焊縫表面較為平整。

（2）FSW接頭的攪拌區形狀與厚板中看到的酒杯類型不同，攪拌區和TMAZ之間的邊界從接頭的前側到后側呈線性。

（3）接觸部件表面附近的肩部旋轉和中心處的銷旋轉有助于薄FSW中的塑性流動。

參考文獻：

[1]汪洪峰，左敦穩，王珉，等.7022鋁合金攪拌摩擦焊焊接區的組織與力學性能[J].華南理工大學學報（自然科學版），2010，38（11）：12-16.

[2]胡尊艷.焊后時效對6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響[D].北京交通大學，2008.

[3]于海東，谷松偉，谷文，等.7020T6鋁合金攪拌摩擦焊接工藝研究[J].一重技術，2017，56（02）：62-67.