平針攪拌頭調修對鋁合金焊接接頭組織與性能的影響

劉春寧，鈕旭晶，侯振國

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

攪拌摩擦焊 FSW（Friction Stir Welding）[1]廣泛應用于機車、航空航天、汽車、船舶等領域，在鋁合金、鎂合金等輕金屬焊接方面具有焊接變形小、焊接缺陷少、環保高效等優點。作為一種新型焊接工藝，攪拌摩擦焊在軌道交通鋁合金車體焊接[2-5]制造行業中的應用越來越廣泛。

攪拌摩擦焊焊后變形常用調修方法為機械調修和火焰調修。由于焊縫余高小、應力均勻等因素，傳統的調修方法較困難，尤其是對于焊接變形較大的部件，過度的機械調修和火焰調修可能造成部件報廢。因此，平針攪拌頭調修因其良好的可操作性受到越來越多制造企業的青睞。

針對平針攪拌頭不同調修次數的6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的組織與性能進行系統研究，以確定不同調修次數下平針攪拌頭調修工藝的可行性，為該工藝的推廣應用提供必要的理論支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為板厚5 mm的6082-T6鋁合金，其化學成分和力學性能如表1所示。

攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭軸肩直徑16 mm，針長4.8 mm，攪拌針直徑根部8.3 mm、端部4.9 mm，軸肩螺紋為內攏型。調修所采用的攪拌頭為平針攪拌頭，軸肩直徑16 mm。軸肩螺紋為內攏型。

表1 6082-T6化學成分和力學性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 6082-T6

1.2 試驗方法

6082-T6鋁合金試板尺寸為700 mm×300 mm×5 mm，進行單軸肩攪拌摩擦焊，焊接裝配如圖1所示。分別進行平針攪拌頭調修1次和調修2次（在一次調修的焊縫上以相同的工藝再進行一次調修）的工藝試驗，組裝間隙0 mm，攪拌頭轉速1 200 r/min，焊接速度800 mm/min，壓力值11 000 N。工藝試件焊后均進行外觀檢測和射線檢測。

圖1 焊接坡口裝配Fig.1 Picture of welding assembly

分別按照ISO4136-2001標準和ISO5173標準在WDW-300KN的微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗和彎曲試驗，彎曲試驗采用2個面彎試樣和2個背彎試樣，壓頭直徑50 mm；硬度試驗根據GB/T4342-1991《金屬顯微維氏硬度標準》，利用FM-700型顯微硬度儀測量焊接接頭表面（包括母材和熱影響區）的維氏硬度分布。采用Neophot-32數碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的母材、焊核區、熱機影響區及熱影響區的顯微組織。金相腐蝕液為混合酸溶液。

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸試驗

拉伸試驗結果如表2所示。依據ISO15614-2標準，其焊接接頭的抗拉強度Rm（W）應滿足要求

式中Rm（W）為焊接接頭的抗拉強度；Rm（pm）為相關標準中所要求的母材抗拉強度的最低規定值；T為焊接接頭強度系數。對于6082-T6鋁合金來說，T=0.6，由表 1 可知，Rm（pm）=310 MPa，故 Rm（W）/Rm（pm）＞0.78，滿足ISO15614-2標準的要求。

表2 拉伸試驗結果Table 2 Result of tensile test

所有拉伸試件均斷于焊接熱影響區，這是因為6082-T6屬于熱處理強化鋁合金，焊接時焊接熱循環作用導致焊接熱影響區存在軟化現象，該區為焊接接頭較為薄弱的環節。

2.2 硬度試驗

平針攪拌頭不同調修次數焊接接頭的硬度曲線對比如圖2所示。可以看出，調修次數對攪拌摩擦焊焊接接頭的硬度影響不大。硬度分布曲線為典型的“W”型。熱影響區的硬度值最小，出現在距離中心線約10 mm處。6082-T6鋁合金為熱處理強化鋁合金，在焊接時產生軟化現象的主要原因是熱影響區在高溫作用下強化相脫溶析出并聚集長大，使強化效果減弱，產生“過時效”現象，并形成軟化區，該區域內的硬度有所下降。

焊核區的硬度分布近似為均值，由中心向兩側硬度值逐漸降低，當達到HAZ時，硬度達到最低值，然后逐漸增加至與母材等同水平。

2.3 彎曲試驗

平針攪拌頭不同調修次數的6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭彎曲試驗結果如表3所示。所有試件彎曲試驗結果均合格。不同調修次數下的焊接接頭均具有良好的彎曲性能。

圖2 不同調修次數硬度對比Fig.2 Hardness test result for different adjusting times

2.4 顯微組織

表3 彎曲試驗結果Table 3 Result of bending test

不同調修次數下6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織如圖3所示。焊核區的組織形態如圖3a所示，焊核區顯微組織主要為α（Al）相基體和其上分布的部分析出β（Mg2Si）相，焊縫晶粒形態為等軸晶，由于焊縫各部分的冷卻速度不一致，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。熱機影響區顯微組織如圖3b所示，前進側和后退側熱機影響區均在攪拌針的劇烈攪拌作用下引起塑性鋁材料在接近焊核區的小部分區域發生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上的彎曲變形，并在焊接熱循環作用下發生回復和再結晶。在劇烈變化的粘附力和焊接熱循環的綜合作用下，形成從粘附長大的破碎組織到彎曲變形的帶狀組織的變化梯度，其中還混合有再結晶晶粒和回復晶粒，與接頭中的另外區域相比較，熱機影響區組織變化最為劇烈。熱影響區顯微組織如圖3c所示，熱影響區顯微組織與其母材顯微組織相似，均為沿軋制方向延長呈纖維狀的晶粒，并且在α（Al）基體上分布著時效過程中析出的Mg2Si強化相。

由于平針攪拌頭調修時沒有攪拌針插入焊縫進行攪拌作用，且熱輸入不大，調修1次和調修2次對焊核區、熱機影響區、熱影響區的組織形態基本無影響。

圖3 焊接接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of welded joints

3 結論

（1）平針攪拌頭不同調修次數下的6082-T6鋁合金焊接接頭具有良好的拉伸和彎曲性能。

（2）平針攪拌頭不同調修次數對6082-T6鋁合金焊接接頭的組織金相、硬度分布無明顯影響。

（3）平針攪拌頭調修工藝具有可行性，可應用于實際生產中。

參考文獻：

[1]Thomas W M N E D，Needham J C.Friction Stir Welding：UK9125978.8[P].1991.

[2]楊鑫華，郭太金，許永輝，等.鋁合金貨車側墻多道焊變形預測[J].大連交通大學學報，2014，35（1）：81-85.

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