軌道客車用特厚鋁合金S 特征線影響攪拌摩擦焊（FSW）接頭力學性能的研究＊

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（渤海船舶職業學院，遼寧 葫蘆島 125000）

隨著軌道客車行業的迅速發展，車輛制造過程中應用鋁合金材料也越來越廣泛。然而，鋁合金的熔焊問題，一直是科技人員難以掌控的，特別是特厚板鋁合金的熔焊，由于特厚板焊接時熔池體積大，容易引起熔池塌陷，焊縫難以成形?；诖?，攪拌摩擦焊（FSW）可以有效解決此類問題。但在FSW 過程中，鋁合金FSW 接頭很容易形成一種S特征線。S 特征線是鋁合金FSW 接頭中常見的一種現象，是由于對接面材料在FSW 過程中伴隨著塑化金屬流動產生的。在焊縫中，S 特征線可能對接頭力學性能產生一定的影響。國內外很多學者，通過圖像分析測試儀、透射電子顯微鏡觀察發現，沿著S 特征線附近分布著桿狀或球體狀氧化物，認為S 特征線是焊接氧化層攪碎后不能與母材結合而成，并影響接頭拉伸、彎曲及疲勞等力學性能。同時，他們所研究的均為較薄的鋁合金，特厚鋁合金的FSW 焊接極少[1-2]。

為了進一步研究確認S 特征線是否對鋁合金FSW 焊接接頭力學性有影響，本研究以84mm 的特厚6082-T6 鋁合金板材為研究對象，雙面對接FSW為焊接方法進行焊接，通過試驗分析S 特征線對FSW 接頭的拉伸、彎曲以及疲勞等力學性能的影響，為特厚板鋁合金焊接提供參考依據。

1 試驗基本情況

選用某軌道客車裝備有限公司軌道客車生產用6082-T6 鋁合金作為母材，其供貨狀態為T6 態（固溶處理+人工時效），板材尺寸為2016mm×327mm×84mm。

某公司生產的攪拌摩擦焊機應用在本次試驗中，其型號略，如圖1 所示。沿著6082-T6 鋁合金板的作用力方向進行FSW 雙面焊接。

圖1 焊機

試驗用攪拌頭有：第一種為軸肩直徑=18mm，攪拌針長=8mm，在正式FSW 前用于定位焊接；第二種為軸肩直徑=42mm，攪拌針長=42.5mm，攪拌針呈“錐形”并帶有螺紋，如圖2 所示。

圖2 攪拌頭

試驗采用的FSW 工藝參數為：起始位置預熱時間為10s，主軸傾角為2.5°，攪拌頭旋轉速度400～550r/min,下壓位移為0.5mm，焊接速度50～70mm/min[3]，攪拌摩擦焊原理如圖3 所示。

圖3 試驗原理圖

2 S 特征線微觀結構

如圖4a～4d 所示，分別是在光學顯微鏡下500μm、200μm、100μm、20μm 等不同倍數的S 特征線微觀圖。通過高倍（圖4c 和4d）放大發現，此處的腐蝕性和活性明顯活躍于其他周圍組織，便形成了腐蝕溝，S 特征線不連續狀態，并不是劃痕或結構缺陷。賀地求等[4]針對6063 鋁合金的S 特征線問題通過試驗分析認為，分布在焊件上表面以及接縫處密布一層熔點很高的鋁和鎂氧化物膜，在攪拌針的高速旋轉作用下產生向下的泵吸現象，并被擠壓至攪拌針后側，形成離散雁陣形分布的氧化物。通過光學顯微鏡觀察還發現自焊底接縫處至焊接上表面S曲線實質上是接縫處直線分布的氧化物在焊縫中的映像，具有對應關系。因S 特征線頂部受到攪拌機械力的作用更大，便出現緩和下降趨勢。

圖4 S 特征線微觀圖

3 S 特征線對FSW 接頭力學性能的影響試驗

3.1 S 特征線對FSW 接頭拉伸性能的影響

拉伸試驗對于接頭力學性能的研究是非常有意義的。為了更好地研究焊接接頭的斷裂性能，我們對測試接頭進行了拉伸試驗。試驗結束后，對鋁合金FSW 接頭拉伸產生的變形部位做好記錄，如圖5 所示?？梢?，試驗過程中，金屬斷裂產生了明顯的宏觀塑性變形，在接頭熱機械影響區（TMAZ）緊鄰的熱影響區（HAZ）處產生縮小變形，并在前進側（AS）沿與拉伸軸線成45°的斜截面上發生剪切斷裂。對84mm 特厚板進行FSW 時的機械作用和摩擦做功產生的熱效應沿著厚度自焊接摩擦表面至中心線方向減弱，導致金屬各層塑性變形量不一致，抗拉強度不同。因此，斷裂與焊接過程中產生的熱循環及接頭材料組織有關系。

圖5 工件的拉伸斷裂位置

試驗結果見表1。通過試驗，發現4 個接頭均在前進熱影響區發生斷裂，而且這4 個接頭的平均抗拉強度為212.27MPa。因此，接頭強度最薄弱的區域便是前進側（AS）熱影響區（HAZ），FSW 焊接接頭延伸率、屈服強度和拉伸強度值均低于母材，分別是母材的48.56%、46.33%和67.68%。顯然，S 特征線為氧化物的存在而產生弱結合層。

表1 拉伸試驗結果

3.2 S 特征線對FSW 接頭彎曲性能的影響

彎曲性能是焊接接頭重要的力學性能[5]，為了研究S 特征線對FSW 接頭彎曲性能的影響，參照標準（GB/T 232—2010），取6082-T6 鋁合金FSW接頭試樣進行彎曲試驗。本次試驗所用試件的編號為1～4，利用三點式彎曲試驗方法，以500r/min 旋轉速度分別進行正彎和背彎試驗。如圖6 所示，通過FSW 接頭彎曲形貌，可以看出這四個彎曲件并未產生任何裂紋，說明在本試驗獲得的FSW 接頭塑性較好，抗壓彎系數大。試驗發現變形過程中，由于壓頭與焊縫的接觸，熱影響區硬度相對較低，所以彎曲變形發生在焊縫熱影響區（HAZ），因而此處產生彎曲變形。在試驗中，各試樣的硬度分布可能會存在一定的差異，但均未發現裂紋，得知S 特征線對FSW 接頭彎曲性能無影響。

圖6 FSW 接頭彎曲形貌

3.3 S 特征線對FSW 接頭疲勞性能的影響

參照GB/T 13816—1992 和GB/T 3075—2008，取6082-T6 鋁合金FSW 接頭試樣進行疲勞試驗，試驗選取了5 個接頭，將107 循環應力加載后未發生斷裂時所承受的全應力幅設定為FSW 接頭的條件疲勞極限，試驗結果見表2。

表2 疲勞測驗數據統計表

接頭疲勞試驗件的斷裂位置出現在不同位置，但是基本上集中在前進側熱影響區，甚至有向焊核區（WNZ）方向擴展的趨勢，如圖7 所示。

圖7 6082-T6 鋁合金FSW 接頭疲勞斷裂位置

從宏觀角度分析，焊接構件在常溫下，能夠發生疲勞破壞，從一定程度上，和施加的荷載大小有關。然而從微觀角度來看，疲勞裂紋的產生常常離不開材料特性的變化，比如，組織上的不均勻。另外，常常與應力集中情況有關[6]。

由試驗結果可以看出，試件疲勞斷裂位置均發生在前進側熱影響區（HAZ）。由之前的分析已知，HAZ 范圍較大，在緊靠前進側熱機影響區的HAZ區域硬度最低，強度也較低。因此得知，工件的疲勞斷裂產生的直接原因與焊接熱循環及接頭材料組織特點相關。從各疲勞試件上可以清晰地看出位于焊核區的S 特征線，在S 特征線區沒有產生疲勞裂紋，甚至沒有發生明顯變化。

4 結論

根據上述實驗數據得知，特厚鋁合金試樣板FSW焊接接頭拉伸試驗和彎曲試驗時分別在HAZ 區發生斷裂和彎曲，其中，FSW 焊接接頭拉伸力學性能明顯下降。疲勞性能試驗時在AS 區發生斷裂，焊核區無裂紋。因此，本文的特厚鋁合金板FSW 焊接試驗結果明確了S 特征線對FSW 焊接接頭拉伸力學性能影響較大，FSW 焊接接頭延伸率、屈服強度和拉伸強度值分別是特厚鋁合金母材的48.56%、46.33%和67.68%，相應的物理值均低于母材，但對彎曲和疲勞力學性能無明顯影響。此結論，對評判攪拌頭及特厚鋁合金板FSW 焊接參數的設定及生產工藝提供重要依據。