動車組連接板攪拌摩擦焊及熔化焊接頭性能研究

郁志凱，梁 晨，毛孟穎，鈕旭晶

中車唐山機車車輛有限公司 制造技術中心，河北 唐山 063000

0 前言

隨著FSW技術的快速發展，高速動車組及城軌地鐵的車體部件已越來越多地采用攪拌摩擦焊進行焊接［1］。高鐵連接板是車體前端的重要組成部分，也是重要的承載結構，其性能對列車運營的安全起到至關重要的影響。連接板材質為6082-T6鋁合金［2］，目前的主要焊接工藝有單軸肩攪拌摩擦焊（FSW）以及熔化焊（MIG）。MIG焊生產效率高，尤其是大電流MIG焊適用于中厚板焊接，但接頭強度較低，約為母材的50%～60%［3］，控制焊縫中氣孔的產生是焊接主要問題；6082鋁合金FSW接頭抗拉強度可達母材的70%［4］，疲勞性能優于MIG焊接頭，但屈服強度低于MIG焊接頭，焊縫附近不可避免地出現軟化現象，接頭表面出現飛邊和隧道型缺陷［5］。

本文分別采用FSW和MIG焊對23 mm厚6082-T6鋁合金進行焊接，從兩種焊接接頭的力學性能、硬度、金相組織、疲勞性能等多個方面進行研究［6-10］，以得出適合高鐵連接板焊接的合理工藝。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

動車組連接板為鋁合金型材，材質6082-T6，厚度為23 mm，其化學成分與力學性能分別如表1、表2所示。

表1 6082-T6的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 6082-T6（wt.%）

表2 6082-T6的力學性能Table 2 Mechanical properties of 6082-T6

MIG焊填充選用AL5087鋁合金焊絲，其直徑為φ1.2 mm，焊接保護氣體成分為70%Ar、30%He和0.015%N2。焊接材料熔敷金屬的化學成分與力學性能分別如表3、表4所示。

表3 焊接材料熔敷金屬的化學成分（質量分數，%）Table 3 Chemical composition of deposited metal by welding materials（wt.%）

表4 焊接材料熔敷金屬的力學性能Table 4 Mechanical properties of deposited metal by welding material

1.2 試驗方法

1.2.1 焊接工藝試驗

（1）攪拌摩擦焊工藝試驗。

試板厚度t1、t2均為23 mm，焊縫形式為I型對接焊縫，采用Fooke公司的FSW150設備。另外，為補償攪拌摩擦焊下壓量，焊接區域有補償凸臺，高度2 mm，接頭的具體形式如圖1所示。

圖1 連接板攪拌摩擦焊接頭尺寸Fig.1 Friction stir welding joint size of connecting plate

首先需要使用較小尺寸的攪拌頭進行點固（見圖2a），然后使用焊接攪拌頭（見圖2b）進行雙面焊接，點固焊攪拌頭針長3.8 mm、軸肩直徑為12 mm，攪拌針根部直徑為4 mm，端部3 mm。焊接用攪拌頭針長14.8 mm、軸肩直徑為25 mm，攪拌針根部直徑9.5 mm、端部6 mm，內凹型軸肩。焊接工藝參數如表5所示。

圖2 攪拌頭形貌Fig.2 Morphology of stirring tool

表5 連接板攪拌摩擦焊工藝參數Table 5 FSW process parameters of connecting plate

（2）MIG焊工藝試驗。

連接板兩側母材厚度t1=t2=23 mm，焊縫形式為雙邊V型。具體接頭形式及尺寸如圖3所示，焊道順序如圖4所示，焊接工藝參數如表6所示。

表6 連接板MIG焊工藝參數Table 6 MIG parameters of connecting plate

圖3 MIG焊接頭尺寸Fig.3 MIG joint size

圖4 MIG焊焊道順序Fig.4 MIG weld pass sequence

1.2.2 檢測標準及方法

（1）金相檢測。對焊接接頭試件進行加工、打磨、拋光、腐蝕，然后在Neophot-32數碼金相顯微鏡下觀察母材、熱影響區、焊縫區和熔合區的顯微組織，腐蝕液為混合酸溶液。

（2）拉伸試驗。拉伸試驗按照ISO4136—2001標準進行，拉伸試樣形狀及尺寸如圖5所示。

圖5 拉伸試件形狀及尺寸Fig.5 Shape and size of tensile specimen

（3）彎曲試驗。根據ISO5173標準要求，在室溫下進行彎曲試驗，彎曲試件形狀及尺寸如圖6所示。另外，根據ISO15614—2標準進行側彎試驗。

圖6 彎曲試件形狀及尺寸Fig.6 Shape and size of bending specimen

（4）硬度試驗。試驗選用維氏硬度，由于試件過厚（板厚23 mm），沿焊縫厚度方向分別進行2次試驗。根據GB/T4342—1991《金屬顯微維氏硬度標準》，利用HV-50A型維氏硬度計測量焊接接頭截面（焊縫—熔合線—熱影響區—母材）的維氏硬度分布，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度分布圖。顯微硬度儀的參數設置為：載荷49 N，保持時間15 s，步長2 mm，硬度打點分布如圖7所示。

圖7 攪拌摩擦焊硬度試件打點分布Fig.7 Hardness test specimen dot distribution

（5）疲勞試驗。高頻疲勞試驗機采用PLG-200微機控制。設定R=0.1的循環應力比，1×107次循環壽命。當疲勞裂紋尺寸足夠大，無法增加更多載荷時，設備將自動卸載并停止振動，保存循環次數。對接接頭的脈動拉伸疲勞試件形狀及尺寸如圖8所示。

圖8 脈動拉伸疲勞試件形狀及尺寸Fig.8 Shape and size of pulsatile tensile fatigue specimen

2 試驗結果與分析

2.1 金相試驗結果及分析

FSW和MIG焊接頭宏觀金相如圖9所示。通過觀察焊接接頭可知，FSW和MIG焊接頭均成形良好，FSW接頭可見“S”線，沒有出現未焊透、夾雜、氣孔、隧道等焊接缺陷。

圖9 FSW和MIG接頭宏觀金相Fig.9 Macro metallography of FSW and MIG joints

6082-T6鋁合金FSW焊縫區域顯微組織如圖10所示?？梢钥闯觯瑹嵊绊憛^顯微組織晶粒較為粗大，在α（Al）基體上分布著時效過程中析出的Mg2Si強化相。熱機影響區在攪拌針的劇烈攪拌作用下，塑性鋁材料在接近焊核區的小部分區域發生了局部破碎和粘附長大現象，而其他部分的組織發生了較大程度的彎曲變形，并在焊接熱循環作用下發生回復和再結晶。焊核區顯微組織主要為α（Al）相基體和部分析出的β（Mg2Si）相，焊縫晶粒形態為等軸晶，由于焊縫受到攪拌針的強烈攪拌作用，經歷了最高的峰值溫度，原始纖維狀組織發生回復、再結晶，形成均勻細小的等軸晶粒。

圖10 FSW焊縫區域顯微組織Fig.10 Microstructure of FSW weld zone

6082-T6鋁合金MIG焊縫區域顯微組織如圖11所示?？梢钥闯?，在靠近熔合線的焊縫一側，有明顯的柱狀晶組織，這是由于鋁合金結晶溫度區間較寬所致；靠近熔合線的熱影響區一側，由于受到焊接過程中的熱作用，Mg2Si析出相較多，且在焊接冷卻后晶粒比母材粗大一些。焊縫區顯微組織主要為α（Al）相基體和部分析出的β（Mg2Si）相，焊縫晶粒形態為等軸樹枝晶，由于焊縫各部分的冷卻速度不一，焊縫中心最后冷卻，焊縫中部冷卻較慢為等軸晶粒，晶粒均勻細小。

圖11 MIG焊縫區域顯微組織Fig.11 Microstructure of MIG weld zone

2.2 拉伸試驗結果及分析

在室溫下對6082-T6鋁合金FSW、MIG焊接頭進行拉伸試驗，結果如表7所示。

表7 連接板焊接接頭室溫拉伸試驗結果Table 7 Tensile test results of welded joint of connection plate at room temperature

可以看出，焊態下6082-T6鋁合金FSW接頭抗拉強度為275.67 MPa、強度系數0.92，MIG焊接頭抗拉強度為263.8 MPa，強度系數0.87。MIG焊接頭拉伸強度略低于FSW接頭，延伸率明顯低于FSW接頭，但所有對接試件接頭的強度系數均大于0.7，兩種焊接方法得到的接頭均具有良好的拉伸性能。所有拉伸試件的斷裂位置均位于熱影響區，此處為焊接接頭的薄弱區域。

如圖12所示，對LJB6-1-1和MIG6-1-1兩個拉伸試件的斷口進行微觀形貌分析，整個斷口呈纖維狀，在邊緣和中心區域可見很多不同尺寸的淺韌窩，未見明顯夾雜等缺陷，為韌性斷裂，試件的拉伸性能較好。

圖12 焊接接頭部分拉伸試件斷口形貌Fig.12 Fracture morphology of partial tensile specimen of welded joint

2.3 彎曲試驗結果及分析

彎曲試驗結果見表8，宏觀照片見圖13。可以看出，FSW側彎試件具有良好的彎曲性能，彎曲角為180°，無裂紋。MIG焊側彎試件不合格，試件均斷裂，彎曲性能沒有達到相關標準要求。

圖13 連接板焊接接頭彎曲試件宏觀照片Fig.13 Macro photo of bending specimen of welded joint

部分MIG焊彎曲試件斷口的微觀形貌如圖14所示?？梢钥闯?，試件整個斷口呈纖維狀，在斷口的邊緣和中心區域，可見很多不同尺寸的淺韌窩，不存在明顯的夾雜等缺陷。其彎曲不合格應與焊接電流、電壓過大有關，熱輸入過大導致焊縫內部晶粒偏大，韌性降低。

圖14 MIG焊焊接接頭部分彎曲試件斷口形貌Fig.14 Fracture morphology of partial bending specimen of MIG welding joint

2.4 硬度試驗結果及分析

（1）不同區域6082-T6鋁合金FSW對接接頭的顯微硬度如圖15所示。

圖15 FSW焊對接接頭顯微硬度Fig.15 Microhardness of FSW butt joint

可以看出：中心層（距焊縫表面16.5mm）焊核區硬度為79～104 HV，在-18～-6 mm和6～18 mm處出現軟化現象，最低硬度為69 HV，母材硬度為107～113 HV；中心偏上區域（距焊縫表面8.5 mm）焊核區顯微硬度值為103～110HV，在-18～-9mm和9～18mm處出現軟化現象，最低硬度為71 HV，母材硬度為102～110 HV。焊核區的硬度分布近似為均值，焊接接頭的硬度與母材相差不大，當達到HAZ時，硬度下降到最低值，然后逐漸增加最終達到與母材等同水平。HAZ出現軟化現象的主要原因是：該區域受到攪拌頭摩擦和金屬相對摩擦產生熱量的影響，晶粒比較粗大，硬度降低，使得焊接接頭的力學性能下降，成為接頭最為薄弱的環節。

（2）不同區域6082-T6鋁合金MIG焊對接接頭的顯微硬度如圖16所示。

圖16 MIG焊對接接頭顯微硬度Fig.16 Microhardness of MIG butt welding joint

可以看出：中心層（距焊縫表面16.5 mm）焊縫區顯微硬度值為92～97 HV，在3～9 mm處出現軟化現象，最低硬度為71 HV，母材顯微硬度值為111～120 HV。中心偏上區域（距焊縫表面8.5 mm）焊縫區顯微硬度值為81～85 HV，在9～14 mm處出現軟化現象，最低硬度為72 HV，母材顯微硬度值為104～118 HV。焊縫區的硬度分布近似為均值，當達到HAZ時，由于出現軟化，硬度下降到最低值，然后逐漸增加最終達到與母材等同水平。產生軟化現象的原因是：HAZ在焊接熱循環的作用下晶粒有所長大，冷卻過程中析出的β（Mg17Al12）相是一種脆性相，且熔點低，形成軟化區，導致該區域硬度有所下降。

2.5 疲勞試驗結果及分析

疲勞性能是高速列車和城軌車輛的重要指標。試驗過程中，每條S-N曲線的測定均按存活率為50%的中值S-N曲線進行。在指定壽命為1×107次數條件下，使用升降法確定各S-N曲線的水平段中值疲勞強度σ0.1。

（1）FSW接頭疲勞試驗結果及分析。

在指定壽命為1×107次循環下，采用升降法測得的FSW接頭脈動拉伸疲勞試驗數據如表7所示。圖17為FSW焊接頭疲勞極限升降圖（圖中×表示斷裂，○表示未斷裂）。可以看到：試驗結果具有4個應力水平等級，共有14個有效試件數，5個子樣對。在指定壽命為1×107次循環條件下，FSW接頭的脈動拉伸中值疲勞極限為：

圖17 FSW焊接頭疲勞極限升降圖Fig.17 Fatigue limit lift diagram of FSW joint

表9 FSW接頭脈動拉伸疲勞試驗結果（R=0.1）Table 9 Pulsating tensile fatigue test results of FSW joint

FSW焊接頭脈動拉伸疲勞的中值S-N曲線如圖18所示，其中，應力循環比R=0.1。

圖18 FSW接頭S-N曲線Fig.18 S-N curve of FSW joint

6082-T6連接板FSW焊接頭脈動拉伸疲勞部分斷裂試件掃描圖片如圖19所示?？梢钥闯觯诹鸭y的啟裂區和擴展區屬于典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋細膩且清晰，終斷區斷口形貌可見不同尺寸的深韌窩，斷裂試件斷口無明顯缺陷。

圖19 FSW接頭脈動拉伸疲勞斷口形貌Fig.19 Pulse tensile fatigue fracture morphology of FSW welded joint

影響FSW接頭疲勞性能的主要因素是焊接缺陷以及焊接過程中由于攪拌作用導致的焊縫區域組織不均勻。

（2）MIG焊接頭疲勞試驗結果及分析。

在指定壽命為1×107次循環下，采用升降法測得的MIG焊接頭脈動拉伸疲勞試驗數據如表10所示。6082-T6連接板MIG焊接頭疲勞極限升降圖如圖20所示（圖中×表示斷裂，○表示未斷裂）?？梢钥吹剑涸囼灲Y果有3個應力水平等級，共有13個有效試件數，5個子樣對。因此，在指定壽命1×107次循環條件下，由升降法計算的6082-T6連接板MIG焊接頭脈動拉伸疲勞試驗的中值疲勞極限為：

表10 MIG焊接頭脈動拉伸疲勞試驗結果（R=0.1）Table 10 Pulsating tensile fatigue test results of MIG welding joint

圖20 MIG焊接頭疲勞極限升降圖Fig.20 Fatigue limit lift diagram of FSW joint

MIG焊接頭脈動拉伸疲勞的中值S-N曲線如圖21所示。MIG焊脈動拉伸疲勞部分斷裂試件掃描圖片如圖22所示?？梢钥吹接袣饪兹毕荽嬖?，氣孔引起應力集中，疲勞裂紋在氣孔附近產生。斷裂試件疲勞裂紋的啟裂區和啟裂擴展區具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋細膩清晰，終斷區的斷口形貌均為不同尺寸的深韌窩。

圖21 MIG焊接頭S-N曲線Fig.21 S-N curve of MIG welding joint of connection plate

圖22 MIG焊接頭脈動拉伸疲勞斷口形貌Fig.22 Pulse tensile fatigue fracture morphology of MIG welded joint

（3）連接板焊接接頭疲勞性能對比。

圖23是連接板焊接接頭疲勞（應力循環比R=0.1）的中值S-N曲線的對比，可以看出：脈動拉伸疲勞試驗確定的指定壽命為1×107次的中值疲勞極限σ0.1：FSW接頭的中值疲勞極限為137 MPa，MIG接頭的中值疲勞極限為117 MPa。MIG接頭的疲勞性能較FSW接頭有所降低，其原因與MIG焊焊縫中存在氣孔等缺陷，導致應力集中，造成疲勞性能下降。

圖23 連接板焊接接頭S-N曲線對比Fig.23 S-N curve comparison diagram of connect on plate welded joints

3 結論

（1）6082-T6鋁合金FSW和MIG的接頭抗拉強度分別為275.67 MPa、263.8 MPa，其焊接接頭強度系數分別為0.92和0.87。MIG焊接頭的抗拉強度相對較低，但所有對接試件接頭的強度系數均大于0.7，表明兩種焊接方法得到的接頭均具有良好的拉伸性能。

（2）6082-T6鋁合金連接板FSW接頭具有良好的彎曲性能，側彎180°均合格。MIG焊接頭彎曲性能較差，側彎試件在110°左右時有裂紋出現，彎曲不合格。

（3）6082-T6鋁合金FSW接頭的硬度分布近似W形，中心層焊核區顯微硬度值大約在79～104 HV，在-18～-6 mm和6～18 mm處產生軟化現象，最低硬度為69 HV；6082-T6鋁合金MIG焊接頭的中心層焊縫區顯微硬度值約為92～97 HV，在3～9 mm處出現軟化現象，最低硬度為71 HV。

（4）6082-T6連接板FSW接頭的中值疲勞極限為137 MPa，MIG焊接頭的疲勞性能較FSW接頭有所降低，為117 MPa。其原因與MIG焊焊縫中存在氣孔等缺陷有關。

綜上所述，6082-T6連接板更適合采用攪拌摩擦焊進行焊接生產。