6A02鋁合金雙面攪拌摩擦焊工藝及接頭力學(xué)性能研究

陳紅

摘要：分析20 mm厚 6A02鋁合金雙面攪拌摩擦工藝對(duì)接頭組織及常規(guī)力學(xué)性能的影響，并研究了拉伸和疲勞裂紋斷口特征，研究結(jié)果表明：攪拌針針長(zhǎng)的不同會(huì)明顯影響6A02鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能;當(dāng)針長(zhǎng)過短時(shí)，接頭橫向側(cè)彎試樣中心極易出現(xiàn)裂紋，疲勞試驗(yàn)在指定的循環(huán)載荷與應(yīng)力比的條件下無法達(dá)到指定的循環(huán)次數(shù)即發(fā)生斷裂;當(dāng)針長(zhǎng)與壓入量匹配合適時(shí)，拉伸、彎曲與疲勞試驗(yàn)性能良好，同時(shí)發(fā)現(xiàn)接頭抗拉強(qiáng)度隨攪拌針針長(zhǎng)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)攪拌針針長(zhǎng)為11 mm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)到244 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的82.7%。

關(guān)鍵詞：雙面攪拌摩擦焊;鋁合金;焊接工藝;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG453+.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0084-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.15

0? ? 前言

6A02鋁合金為鋁-鎂-硅系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，強(qiáng)度中等，耐蝕性與焊接性良好，適合鍛造與沖壓加工，常用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造。

由于鋁合金固有特性的存在，其厚板熔化焊接頭易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，焊后接頭軟化與變形嚴(yán)重，相比之下，攪拌摩擦焊作為新興的固相焊接技術(shù)為20 mm及以上的鋁合金厚板焊接提供了很好的解決方案。賀地求[1]等人研究了氬氣保護(hù)對(duì)20 mm厚6063鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用氬氣保護(hù)可消除接頭中的“ S ”曲線。鄧清洪[2]等研究了42 mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能，表明在轉(zhuǎn)速600 r/min，焊速120 mm/min的焊接工藝參數(shù)下，獲得了表面成形美觀、無缺陷的雙面FSW接頭，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到239 MPa。劉德強(qiáng)[3]等人研究了20 mm厚板7075鋁合金FSW接頭的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)焊縫中心區(qū)腐蝕程度最輕，熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）次之，熱影響區(qū)（HAZ）腐蝕程度最嚴(yán)重。王麗[4]等人研究了10 mm厚5A02 鋁合金攪拌摩擦焊后得出了溫度分布和熱循環(huán)對(duì)焊縫接頭組織與硬度分布的影響規(guī)律。吳興歡[5]等人研究了8 mm厚5A02鋁合金的攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為800 r/min和焊速120 mm/min的條件下進(jìn)行攪拌摩擦焊接，測(cè)得接頭的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到母材強(qiáng)度的91.21%，焊縫中無任何焊接缺陷。本文以20 mm 厚6A02鋁合金為試驗(yàn)材料，研究了不同攪拌針針長(zhǎng)對(duì)雙面攪拌摩擦焊接頭工藝及接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，為今后6系鋁合金厚板攪拌摩擦焊接研究提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

文中以20 mm 厚6A02鋁合金為試驗(yàn)材料，研究不同攪拌針針長(zhǎng)對(duì)雙面攪拌摩擦焊工藝及接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，為今后6系鋁合金厚板攪拌摩擦焊接研究提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試板材料為6A02鋁合金，尺寸20 mm×170 mm×500 mm，接頭抗拉強(qiáng)度295 MPa。本試驗(yàn)共選用5種不同針長(zhǎng)的攪拌頭，針端形貌均為圓錐螺紋+三切面形式，軸肩內(nèi)凹。采用雙面攪拌摩擦焊，焊前打磨去除表面氧化層，有機(jī)溶劑清洗后組對(duì)工件，組對(duì)間隙與錯(cuò)邊量控制在0.5 mm以內(nèi)。完成正面焊接后再反轉(zhuǎn)試板進(jìn)行反面焊接。焊后從試板上截取拉伸、橫向側(cè)彎與疲勞試樣，尺寸如圖1所示。

試驗(yàn)分為兩步，第一步采用針長(zhǎng)11 mm的攪拌頭進(jìn)行了小樣本的焊接參數(shù)遴選，選擇焊縫拉伸與彎曲綜合力學(xué)性能最優(yōu)的參數(shù)進(jìn)行下一步調(diào)整針長(zhǎng)的焊接試驗(yàn)，焊接參數(shù)遴選結(jié)果如表1所示。

由表1可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為750 r/min、焊接速度為200 mm/min時(shí)，焊縫綜合力學(xué)性能最優(yōu)。采用該參數(shù)進(jìn)行下一步調(diào)整針長(zhǎng)的焊接試驗(yàn)，具體焊接參數(shù)如表2所示。

用keller試劑腐蝕宏觀金相以觀察焊縫宏觀形貌，按ISO 4136-2012進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、按ISO 5173-2010進(jìn)行橫向側(cè)彎試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)采用循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，指定循環(huán)壽命取1×108次，指定疲勞強(qiáng)度為70 MPa。最后對(duì)拉伸與疲勞斷口進(jìn)行SEM電鏡掃描分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀金相試驗(yàn)結(jié)果

各組試板的宏觀金相照片如圖2所示。由圖可知，每組試樣焊縫均呈“ 啞鈴 ”形，前進(jìn)側(cè)輪廓界限分明，后退側(cè)輪廓較模糊，這是由于兩側(cè)攪拌針作用不同而導(dǎo)致。由于每組試板采用不同針長(zhǎng)的攪拌針，焊縫中心的交疊區(qū)域尺寸有所不同：1號(hào)試樣的針長(zhǎng)未覆蓋板厚的1/2，壓入量為0.1 mm，導(dǎo)致焊縫中心存在約0.7 mm的未焊合區(qū)域;2號(hào)～5號(hào)試樣攪拌針針長(zhǎng)逐漸增加，交疊區(qū)尺寸隨之增大，分別為0.3 mm、2.2 mm、4.2 mm、9.2 mm。

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

按ISO4136-2012接頭全厚度拉伸試驗(yàn)，1號(hào)～5號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度如圖3所示，即焊縫抗拉強(qiáng)度隨著中心未焊合尺寸的縮小和重疊區(qū)尺寸的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于反面焊縫的二次加熱與攪拌作用改善了正面焊縫組織，但是針長(zhǎng)進(jìn)一步的增加則破壞了正面焊縫的焊核區(qū)組織，使接頭強(qiáng)度性能逐漸下降。拉伸斷口側(cè)面形貌如圖4所示，其中1號(hào)與2號(hào)拉伸試樣沿正反面前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)交界貫穿焊縫中心斷裂。3號(hào)～5號(hào)試樣沿著正面后退側(cè)與反面前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)交界斷裂。

2.3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，1號(hào)試樣在循環(huán)次數(shù)達(dá)到5.26×105時(shí)發(fā)生斷裂，2號(hào)～5號(hào)試樣完成了整個(gè)疲勞試驗(yàn)過程，未發(fā)生開裂。

2.4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

全厚度橫向側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，彎芯直徑為100 mm，彎曲角度為180°。由圖可知，1號(hào)試樣彎曲后焊縫中心出現(xiàn)3 mm橫向裂紋，3號(hào)～5號(hào)彎曲試樣表面完好無裂紋。

對(duì)1號(hào)拉伸斷口中部進(jìn)行SEM掃描分析，如圖6a所示，其形貌呈纖維狀，凹凸程度淺，不存在韌性斷裂特征。這是因?yàn)檫x用的針長(zhǎng)過短，針端無法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行攪拌，導(dǎo)致該區(qū)域僅受極為有限的熱力影響，未發(fā)生冶金結(jié)合。

1號(hào)試樣疲勞斷口形貌如圖6b、6c、6d所示，啟裂區(qū)和啟裂擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞輝紋清晰并較細(xì);終斷區(qū)斷口形貌均為大小不一的深韌窩。

3 結(jié)論

（1）攪拌頭針長(zhǎng)的選擇對(duì)6A02鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭拉伸性能影響顯著，當(dāng)針長(zhǎng)不足時(shí)，焊縫中心存在未焊合區(qū)域，嚴(yán)重降低接頭抗拉強(qiáng)度，斷口分析表明該區(qū)域無韌性斷裂特征。當(dāng)針長(zhǎng)逐漸增加，正反面焊縫逐漸出現(xiàn)交疊區(qū)時(shí)，拉伸性能先增加后降低。選用針長(zhǎng)11 mm的攪拌頭焊接后，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)到本次試驗(yàn)最高值244 MPa。

（2）1號(hào)疲勞試樣開裂，斷口具有典型疲勞斷裂特征，2號(hào)～5號(hào)疲勞試驗(yàn)合格，說明增加交疊區(qū)尺寸有利于提高接頭疲勞性能。

（3）橫向側(cè)彎試驗(yàn)使焊縫側(cè)面受拉應(yīng)力，導(dǎo)致1號(hào)試樣中心未焊合區(qū)域開裂形成裂紋。增加針長(zhǎng)消除未焊合區(qū)域后，2號(hào)～5號(hào)彎曲試驗(yàn)均合格，說明未焊合缺陷對(duì)彎曲試驗(yàn)比較敏感。

參考文獻(xiàn)：

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鄧清洪，蔡華文，丁常青，等. 42 mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊工藝研究[J]. 焊接技術(shù)，2019，48（11）： 58-60.

劉德強(qiáng)，柯黎明. 7075鋁合金厚板攪拌摩擦焊接頭腐蝕行為研究[D]. 江西：南昌航空大學(xué)，2016.

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吳興歡，謝振中. 5A02鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭性能試驗(yàn)[J]. 焊接技術(shù)，2013，42（4）：38-40.