20mm厚6082-T6鋁合金牽引梁高速攪拌摩擦焊工藝研究

鄧清洪

湖南煌星華科技有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

近年來，我國軌道交通行業(yè)快速發(fā)展，城市地鐵需求量不斷上升。為達(dá)到輕量化的目的，車體材料大部分采用鋁合金制造，少數(shù)為不銹鋼制造[1]。鋁合金材料常見的焊接方法為熔化焊，如MIG、TIG等，但熔化焊方法焊接鋁合金存在焊后接頭熱影響區(qū)強(qiáng)度大幅降低，容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、熱裂紋等缺陷，以及生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)環(huán)境差等問題。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是英國焊接研究所于1991年針對(duì)低熔點(diǎn)金屬發(fā)明的一項(xiàng)新型固相焊接方法。該焊接方法是在傳統(tǒng)摩擦焊基礎(chǔ)上發(fā)明的第三體摩擦焊技術(shù)，其具有一系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如：可避免熔化焊的缺陷、焊接接頭力學(xué)性能好、焊接變形小、過程綠色環(huán)保、勞動(dòng)條件好、成本低和生產(chǎn)效率高等[2，3]。該技術(shù)在長直型材拼接、水冷密封、鑄鋁焊接、異種金屬焊接和厚板焊接等領(lǐng)域具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。城市列車牽引梁位于車體底架部位，是車廂之間連接的重要承載結(jié)構(gòu)件，也是車體最關(guān)鍵的焊接零部件。常規(guī)采用MIG焊時(shí)，存在焊接效率低，易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷，以及人工和無損檢測(cè)成本高昂等現(xiàn)實(shí)問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)牽引梁等厚板展開了一系列的研究和工程化應(yīng)用工作。如：何廣忠等[4]成功實(shí)現(xiàn)了35mm鋁合金厚板單面一次成形的攪拌摩擦焊焊接，并在動(dòng)車組車體制造中進(jìn)行了首次應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；孫景朋[5]研究了攪拌摩擦焊技術(shù)在高速動(dòng)車組鋁合金車鉤座上的應(yīng)用及性能測(cè)試，完善了攪拌摩擦焊的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法；吳志明[6]采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊和攪拌摩擦焊不同工藝所對(duì)應(yīng)的城軌車輛枕梁以及車鉤板的接頭設(shè)計(jì)，并對(duì)這兩種焊接工藝及其對(duì)應(yīng)接頭的力學(xué)性能作了對(duì)比研究；鄧清洪[7]對(duì)板厚為42mm的6082-T6鋁合金車鉤座型材進(jìn)行了雙面攪拌摩擦焊工藝研究，結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)速為600r/min，焊接速度為120mm/min的焊接參數(shù)下，獲得了表面成形美觀、無缺陷的雙面攪拌摩擦接頭，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)239MPa。宮文彪等[8]采用攪拌摩擦焊對(duì)84mm厚的6082-T4鋁合金進(jìn)行雙面對(duì)接焊接，并研究了沿板厚方向焊接接頭的微觀組織與力學(xué)性能變化。綜上所述，采用攪拌摩擦焊焊接牽引梁是最為理想的焊接方法[9，10]。

本文以城軌車牽引梁中間主焊縫20mm厚6082-T6鋁合金為研究對(duì)象，以探索鋁合金厚板高速攪拌摩擦焊工藝為方向，以提高焊接效率和接頭力學(xué)性能為目的，為進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)構(gòu)輕量化和工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為20mm厚的6082-T6鋁合金板材，具體尺寸為500mm×200mm×20mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 6082-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 6082-T6鋁合金母材實(shí)測(cè)力學(xué)性能

攪拌摩擦焊所使用的設(shè)備為湖南煌星華科技有限公司龍門式二維攪拌摩擦焊生產(chǎn)型設(shè)備，鋁合金單面焊接厚度為3～25mm。焊接所使用的刀柄和攪拌頭均采用厚板高速焊專制研發(fā)的工具。攪拌頭結(jié)構(gòu)采用軸肩與攪拌針分體式設(shè)置，軸肩特征為圓錐內(nèi)凹特征，軸肩尺寸為φ28mm，攪拌針特征為圓錐“螺紋+三切面”特征，針長為11～16mm，且連續(xù)可調(diào)。

本試驗(yàn)采用控制變量法研究焊接參數(shù)對(duì)接頭組織及力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)所采用的焊接參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)所采用的焊接參數(shù)

攪拌摩擦焊接完成后對(duì)試件進(jìn)行PT、RT無損檢測(cè)，結(jié)果零缺陷，均為合格。然后制取金相試樣、拉伸試樣和彎曲試樣，取樣標(biāo)準(zhǔn)參照ISO 25239：2011《攪拌摩擦焊－鋁合金》。金相試樣制備所使用的腐蝕液為濃度10%的氫氧化鈉溶液。拉伸和彎曲性能測(cè)試在Instron-5900拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸應(yīng)變速率為1×10-3s-1。采用日立公司生產(chǎn)的HITACHI-S4800掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸試樣斷裂表面形貌進(jìn)行觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 宏觀形貌特征

20mm厚6082-T6鋁合金雙面焊焊縫表面宏觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出，焊縫成形美觀，焊縫表面光亮，除了起焊位置攪拌針下壓擠出的飛邊外，焊縫其余部分無飛邊，焊縫表面紋路均勻，無過熱毛刺與表面焊接缺陷。

圖1 焊縫表面宏觀形貌

20mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭焊縫橫截面宏觀金相如圖2所示。由圖2可以看出，3組參數(shù)焊縫橫截面宏觀金相整體形貌無明顯區(qū)別，無宏觀缺陷，焊縫表面基本無減薄。焊核區(qū)（Nugget Zone，NZ）整體形貌呈現(xiàn)“啞鈴形”特征，正反面焊縫存在一定厚度的重疊區(qū)，并且在NZ區(qū)無“S”線殘留。

圖2 焊縫橫截面宏觀金相

3.2 顯微硬度分布

20mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭顯微硬度沿焊縫橫截面上部、中部和下部的分布曲線如圖3所示。整體看，沿焊縫橫截面方向顯微硬度曲線分布形態(tài)呈“W”形特征，上部、中部、下部三條分布曲線的變化規(guī)律基本相同，并且硬度分布存在明顯的性能梯度。接頭熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）為接頭硬度最低區(qū)域，此區(qū)域?yàn)榻宇^力學(xué)性能最薄弱的區(qū)域。由于前進(jìn)側(cè)材料受到攪拌頭更加劇烈的熱-力影響，所以前進(jìn)側(cè)整體硬度水平相比后退側(cè)略低。在焊縫熱影響區(qū)前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)均有不同程度的軟化，接頭存在兩個(gè)硬度軟化區(qū)，分別是位于前進(jìn)側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和HAZ。由于回復(fù)再結(jié)晶形成了均勻細(xì)小的等軸晶，NZ硬度水平相比TMAZ和HAZ整體更高。橫截面中部區(qū)域由于只受到攪拌針的熱力影響作用，整體硬度水平相對(duì)上部和下部高些，同時(shí)硬度軟化區(qū)域范圍相對(duì)更窄。

圖3 焊縫橫截面顯微硬度分布曲線

3.3 拉伸及彎曲力學(xué)性能分析

20mm厚6082A-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭拉伸力學(xué)性能結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著焊接速度的增加（焊接熱輸入逐漸降低），接頭的抗拉強(qiáng)度呈逐漸上升的趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)速-焊接速度組合分別為600r/min-450mm/min、600r/min-550 mm/min、600r/min-650mm/min的焊接參數(shù)下，接頭的抗拉強(qiáng)度分別為238.0MPa、246.0MPa、256.5MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度值的74.3%、76.9%、80.5%。如圖5所示，接頭拉伸斷裂位置均發(fā)生在前進(jìn)側(cè)HAZ。對(duì)接頭拉伸斷裂表面進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析，斷裂表面由大量的韌窩聚集組成，為典型韌性斷裂特征，如6所示。

圖4 接頭拉伸力學(xué)性能

圖5 拉伸斷裂位置

圖6 拉伸斷裂表面SEM照片

根據(jù)上述拉伸力學(xué)性能結(jié)果可以看出，突破傳統(tǒng)厚板攪拌摩擦焊工藝，高速焊接可以降低焊接熱輸入，從而降低接頭HAZ過時(shí)效程度和HAZ寬度，最終提高接頭的抗拉強(qiáng)度，為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步輕量化提供更大的設(shè)計(jì)空間。該結(jié)論在孟騰逸等[9]研究成果中也等到了相應(yīng)的證實(shí)。

20mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭側(cè)彎后試件宏觀形貌如圖7所示。由圖7可看出，所有接頭彎曲到180°不發(fā)生斷裂，彎曲結(jié)果滿足ISO 25239：2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 側(cè)彎后試件宏觀形貌

4 結(jié)束語

1）成功制定了20mm厚6082-T6鋁合金牽引梁的高速攪拌摩擦焊工藝，最大焊接速度可達(dá)650mm/min，相比常規(guī)焊接工藝，焊接速度提高了3倍多。

2）保持轉(zhuǎn)速一定，隨著焊接速度的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度呈逐漸上升的趨勢(shì)。

3）在轉(zhuǎn)速-焊接速度組合分別為600r/min-450mm/min、600r/min-550mm/min、600r/min-650mm/min的焊接參數(shù)下，接頭的抗拉強(qiáng)度分別為238.0MPa、246.0MPa、256.5MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度值的74.3%、76.9%、80.5%。

4）接頭彎曲到180°，不發(fā)生斷裂。