車用鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝

張　強(qiáng)，高　輝，周燦豐，焦向東

（北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

車用鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝

張強(qiáng)，高輝，周燦豐，焦向東

（北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

針對(duì)2 mm厚6082-T6鋁合金搭接攪拌摩擦點(diǎn)焊進(jìn)行工藝研究，以轉(zhuǎn)速、下扎時(shí)間、回填時(shí)間、下扎深度為變量，進(jìn)行不同試驗(yàn)，通過測(cè)量不同參數(shù)下的剪切強(qiáng)度、觀察金相組織，獲得了2 mm厚6082-T6鋁合金搭接點(diǎn)焊的優(yōu)化工藝參數(shù)。試驗(yàn)表明，最佳轉(zhuǎn)速為2 100 rpm，最佳下扎時(shí)間為3 s，最佳回填時(shí)間為3 s，最佳下扎深度為2.7 mm。

車用鋁合金；攪拌摩擦點(diǎn)焊；剪切強(qiáng)度

0　前言

鋁合金材料已廣泛應(yīng)用于汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域，其對(duì)減輕汽車質(zhì)量有很大幫助。鋁可代替兩倍質(zhì)量的鋼或鐵，每使用一磅鋁材就能減少9.07 kg的CO2排放。通過合理的設(shè)計(jì)，在汽車制造上用鋁代替鋼后，汽車質(zhì)量每減輕10％，燃油消耗就能節(jié)省約6％～8％[1]。

汽車覆蓋件的外板通常使用6000系列鋁合金，板材厚度1.0～2.0 mm，其優(yōu)點(diǎn)是成形后不出現(xiàn)拉伸應(yīng)變表面缺陷[2]。當(dāng)采用傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊焊接鋁材時(shí)，電極壽命較低，而伴隨電極的變質(zhì)容易產(chǎn)生焊接缺陷，焊接質(zhì)量明顯下降。攪拌摩擦點(diǎn)焊FSSW（Friction Stir Spot Welding）是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊技術(shù)的不足，由日本馬自達(dá)公司等研發(fā)的新型焊接技術(shù)。其接頭表面質(zhì)量好、光滑、無(wú)缺陷，剪切強(qiáng)度不低于電阻焊，而且大幅度降低了加工能耗和成本，若將目前的電阻點(diǎn)焊設(shè)備改造為鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備后能量消耗減少了99％，設(shè)備投資節(jié)省了40％[3]。因此，本試驗(yàn)利用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)，研究不同的焊接工藝參數(shù)對(duì)6082-T6鋁合金焊接接頭的組織及力學(xué)性能的影響。

1　試驗(yàn)材料及方法

焊接對(duì)象為6082-T6鋁合金板材，板材尺寸為140 mm×50 mm×2 mm，焊接前需去除表面氧化層，焊接方式為搭接。以轉(zhuǎn)速、下扎時(shí)間、回填時(shí)間、下扎深度為變量，進(jìn)行多組不同試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)的選擇通過正交試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，正交試驗(yàn)如表1所示。按照試驗(yàn)組數(shù)，每組參數(shù)做5個(gè)試樣，焊后觀察接頭宏觀形貌，取3個(gè)做力學(xué)剪切，2個(gè)做金相，而后根據(jù)數(shù)據(jù)分析，得出最優(yōu)參數(shù)。

圖1　攪拌摩擦點(diǎn)焊試件Fig.1Specimen of FSSW

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1為各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度，其數(shù)值為每組3個(gè)試樣剪切強(qiáng)度的平均值。根據(jù)這25次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析因素各水平對(duì)剪切強(qiáng)度的影響。轉(zhuǎn)速1 800 rpm的是第1、2、3、4、5號(hào)試驗(yàn)，其剪切強(qiáng)度均值為27.052 MPa；轉(zhuǎn)速2 100 rpm的是第6、7、8、9、10號(hào)試驗(yàn)，其剪切強(qiáng)度均值為28.368 MPa；轉(zhuǎn)速2 400 rpm的是第11、12、13、14、15號(hào)試驗(yàn)，其剪切強(qiáng)度均值為20.486 MPa；轉(zhuǎn)速2 700 rpm的是第16、17、18、19、20號(hào)試驗(yàn)，其剪切強(qiáng)度是均值是20.500 MPa；轉(zhuǎn)速3 000 rpm的是第21、22、23、24、25號(hào)試驗(yàn)，其剪切強(qiáng)度均值是28.134 MPa。顯然轉(zhuǎn)速2 100 rpm剪切強(qiáng)度最高，轉(zhuǎn)速2 400 rpm最差，兩者的極差R=28.368-20.486=7.882 MPa。它表示采用轉(zhuǎn)速2 100 rpm比采用轉(zhuǎn)速2400 rpm的剪切強(qiáng)度平均值提高7.882 MPa。同樣的方法可比較下扎時(shí)間、回填時(shí)間、下扎深度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。可得出最佳轉(zhuǎn)速為2 100 rpm，最佳下扎時(shí)間為3 s，最佳回填時(shí)間為3 s，最佳下扎深度為2.7 mm。下扎時(shí)間極差R=25.162，對(duì)剪切強(qiáng)度影響最大的因素為下扎時(shí)間。

表1　正交試驗(yàn)Tab.1Intuitive analysis of orthogonal experiment

6082-T6鋁合金搭接焊點(diǎn)除未焊合組參數(shù)外，其他組經(jīng)X光射線檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)缺陷。最優(yōu)參數(shù)下的焊點(diǎn)表面宏觀形貌如圖2所示。

通過前面剪切強(qiáng)度計(jì)算，8#、9#、10#號(hào)試驗(yàn)剪切強(qiáng)度較大，現(xiàn)選取其金相進(jìn)行觀察，分別如圖3a～圖3c所示，可看到其焊點(diǎn)底部中心區(qū)域均有缺陷。其中剪切強(qiáng)度不大，但金相完好的試件19#、20#、21#分別如圖3d～圖3f所示。

3　結(jié)論

2 mm厚6082-T6鋁合金搭接攪拌摩擦點(diǎn)焊的最佳工藝參數(shù)為：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度2 100 rpm，下扎時(shí)間3 s，回填時(shí)間3 s，下扎深度2.7 mm。其中，下扎時(shí)間對(duì)焊接接頭剪切強(qiáng)度影響最大。

圖2　宏觀形貌Fig.2Macro morphology figure

圖3　金相觀察Fig.3Metallographic observation figure

除未焊合組參數(shù)之外，其他接頭組織經(jīng)X光射線檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)缺陷。通過對(duì)剪切強(qiáng)度和金相觀察可知，剪切強(qiáng)度大的試件其焊縫不一定完好。

[1]AMTS展會(huì)-2010上海國(guó)際汽車制造技術(shù)與裝備及材料展覽會(huì)（2010年8月11-14日）.Novelis鋁合金板材—車身輕量化的解決方案[EB/OL]，2010-01-01.

[2]Iwashita T.Method and apparatus for joining[P].U.S.Patent 6601751 B2，August 5，2003.

[3]Mohamed Merzoug，Mohamed Mazari，Lahcene Berrahal，et al.Parametric studies of the process of friction spot stir welding of aluminium 6060-T5 alloys[J].Materials and Design，2010（31）：3028.

Friction stir spot welding technology on automotive aluminum alloy

ZHANG Qiang，GAO Hui，ZHOU Canfeng，JIAO Xiangdong
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

Focus on the process of friction stir spot welding of 2 mm thick 6082-T6 aluminum alloy,experiment was carried out with different rotation speed，penetration time，refilling time and penetration depth.The optimized process parameters of 2 mm thick 6082-T6 aluminum alloy were obtained by measuring the shearing strength and observation of metallographic organization.Experiments show that the optimal rotation speed is 2 100 rpm，the optimal penetration time is 3 s，and the optimum refilling time is 3 s，the optimum penetration depth is 2.7 mm.

automotive aluminum alloy；friction stir spot welding；shearing strength

TG453+.9

A

1001－2303（2016）05－0006-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.02

2016－01－06；

2016－02－20

北京市教育委員會(huì)項(xiàng)目；2014年度北京市屬高等學(xué)校長(zhǎng)城學(xué)者培養(yǎng)計(jì)劃（CIT&TCD20140316）

張強(qiáng)（1987—），男，山東濟(jì)寧人，碩士，主要從事水下焊接工藝方面的研究工作。