焊前清理對鋁合金厚板攪拌摩擦焊接頭S線及性能的影響

李帥貞，韓曉輝，毛鎮東，劉 勇，徐 野

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

攪拌摩擦焊技術已廣泛應用于輕軌、高鐵等軌道交通行業的眾多領域[1-2]。鋁合金攪拌摩擦焊時，接頭橫截面會出現呈S狀的黑色曲線，稱為“S線”，Chen Huabin等人認為S線是由對接表面氧化層在被攪拌針攪碎后無法與母材合成一體而形成[3]；Sato等人認為S線的形成與焊縫塑化金屬的流動行為有關[4]；柯黎明等人認為攪拌針形狀及焊接參數是影響塑化金屬流動的主要因素[5-6]。國內外針對S線的形成機制及焊接清理對S線的形成和接頭性能影響的研究尚不完善，本研究通過實驗對比深入研究焊接清理對攪拌摩擦焊接頭S線及性能的影響。

1 試驗內容

選取厚板鋁合金為研究對象，分別對有無焊前清理的焊接接頭進行透射電子顯微鏡觀察，分析焊前清理對接頭顯微組織及析出相分布的影響規律，對比分析焊前清理對微觀組織及S線等缺陷的影響；對比分析不同試板的基本力學性能，研究焊前清理對力學性能的影響。焊接接頭數據如表1所示。

2 焊接接頭組織試驗結果

2.1 鋁合金厚板攪拌摩擦焊宏觀組織和微觀組織特征

通常將攪拌摩擦焊接頭分為焊核區、熱機影響區、熱影響區以及母材4個區域[7]。在厚度跨度較大的厚板攪拌摩擦焊焊接時，板厚方向上的溫度梯度相差較大，對于焊核區，上部焊核區金屬的流動主要受到軸肩影響，中部焊核區受到攪拌針側面的驅動，下部焊核區金屬塑性流動的動力來自攪拌頭的底部，所以對厚度上的組織進行細致劃分。厚板攪拌摩擦焊接頭分為7個區：母材（BM）、前進側熱機影響區（AS-TMAZ）和后退側熱機影響區（RSTMAZ）和熱影響區（HAZ）、焊核區（NZ）[分為軸肩影響區（SAZ）、中部焊核區（即 M-NZ）和下部焊核區即B-NZ]。

表1 鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊接接頭數據

2.2 有無焊前清理焊接接頭宏觀形貌分布

有無焊前清理試件宏觀形貌對比如圖1所示。經腐蝕后，焊核區、熱機械影響區和熱影響區的顏色不同，差異較為明顯。攪拌過程中由于再結晶程度不同形成的攪拌紋從AS側指向焊核處，無焊前清理試件TMAZ與NZ的分界線在AS側較RS側更為明顯，焊前清理對接頭組織略有幫助。

圖1 有無焊前清理試樣宏觀對比（左側為RS區，右側為AS區）

2.3 有無焊前清理焊接接頭顯微組織

有無焊前清理接頭微觀組織對比如圖2所示，各區域組織形貌類似。有焊前清理的焊接接頭，ASTMAZ晶粒較后退側細小，HAZ沒有受到攪拌頭機械攪拌作用，不會出現晶粒嚴重長大的過熱區，相當于熔化焊接頭熱影響區的外邊沿，因而FSW接頭的熱影響區非常窄，HAZ晶粒呈均勻的等軸晶。無焊前清理的焊接接頭，AS-TMAZ晶粒相對較小，RSTMAZ晶粒相對較大，熱影響區晶粒呈均勻的等軸晶，母材同焊前清理焊接接頭一樣為橢圓狀扁平晶粒，晶粒大小不均勻。

圖2 有無焊前清理焊接接頭顯微組織對比

3 焊前清理對鋁合金厚板攪拌摩擦焊S線的影響

有無焊前清理試件不同截面S線局部放大如圖3所示。各部分S線寬窄不一，S線分布不連續。

S線的形成原因是分布在試件上表面和接縫處有一層致密的氧化膜，其熔點非常高，在攪拌針的高速旋轉下沒有被均勻細小地破碎，而是混合參與塑性材料的流動，隨塑性流體移至攪拌針后側，形成氧化物，被攪拌頭攪入焊縫從而影響接縫質量。

由圖3可知，靠近試件表面S線，有焊前清理的試件表面不連續，寬度不均勻；無焊前清理試件表面相對較為連續，且寬度一致。試件中部S線，有焊前清理的試樣S線斷開部位明顯多于無焊前清理試樣，且有焊前清理S線寬度達到144 μm，無焊前清理S線寬度達到236 μm，無焊前清理S線面積明顯大于焊前清理S線面積。

圖3 有無焊前清理試樣S線局部放大對比

4 鋁合金厚板攪拌摩擦焊接頭力學性能

4.1 有無焊前清理焊接接頭顯微硬度測試結果

有無焊前清理焊接接頭顯微硬度分布曲線如圖4、圖5所示，二者硬度曲線類似，焊接接頭上部（1～6、9～13）基本呈現“W”形，雙面焊接接頭交界處（7、8）呈現“V”形。

圖4 有焊前清理焊接接頭顯微硬度

有無焊前清理試件硬度值對比分析見表2，有焊前清理試件硬度略高于無焊前清理試件硬度。

圖5 無焊前清理焊接接頭顯微硬度

表2 有無焊前清理接頭試樣硬度對比HV

4.2 有無焊前清理焊接接頭拉伸性能測試結果

有無焊前清理拉伸試樣照片如圖6、圖7所示，可以看出，拉伸試樣有一定的頸縮現象，為韌性斷裂的特征。

圖6 焊前清理拉伸照片

由圖7可知，無焊前清理試樣有明顯層狀撕裂，原因是焊縫內有夾雜物。該試樣未進行焊前清理，表面氧化物更多，所以試板表面的氧化物極可能隨著攪拌頭的旋轉進入焊縫內部形成夾雜，進而降低試樣的力學性能。

有無焊前清理試樣的拉伸性能對比如表3所示。不進行焊前清理的焊縫拉伸性能遠低于進行焊前清理的焊縫拉伸性能，屈服強度相差9 MPa，抗拉強度相差41 MPa，延伸率相差0.32%。

圖7 無焊前清理拉伸后照片

表3 焊前清理及無焊前清理接頭試樣的拉伸性能對比

5 結論

（1）微觀組織。焊接接頭軸肩影響區（SAZ）晶粒、中部焊核區（M-NZ）和底部焊核區（B-NZ）晶粒大小類似，熱影響區晶粒呈均勻的等軸晶，但未清理試件TMAZ與NZ的分界線在AS側較RS側更為明顯，焊前清理對接頭組織略有改善。

（2）S線分布及特點。S線是對接面氧化物在焊縫中殘留形成的，截取的不同位置橫截面上（起始、中間、末端）均有S線，且其形狀和位置基本沒有改變，上表面的S線也呈連續分布，由此可見，S線在焊縫長度方向上是連續的；經過焊前清理（機械清理）的焊接接頭也會出現S線，說明S線在焊接過程中也會形成。焊前清理工序對FSW接頭的影響體現在減弱S線，尤其是S的分布寬度，同時顯著提高力學性能。

（3）力學性能。焊前清理試樣的力學性能明顯優于未進行焊前清理的試樣，通過研究FSW雙面焊硬度發現，焊接接頭上部基本呈現“W”形，雙面焊接接頭交界處呈現“V”形。母材的硬度最高，往中間逐漸降低，到達熱影響區與熱機影響區邊界，硬度達到最低。兩種工藝硬度規律類似，有焊前清理試件硬度略高于無焊前清理試件硬度。抗拉強度由未清理前的184MPa提高到清理后的226MPa，有明顯提高。

（4）對于鋁合金厚板攪拌摩擦焊，接頭焊前清理有助于改善接頭微觀組織，有助于改善S線分布，同時有利于提高接頭力學性能，建議在FSW焊接過程中做好焊前清理工作。

參考文獻：

[1]欒國紅，胡煌輝，柴鵬.攪拌摩擦焊—新型列車制造新技術[J].電力機車和城軌車輛，2006，29（4）：40-43.

[2]盛建輝，鵬家仁，李光，等.攪拌摩擦焊工藝及其在地鐵鋁合金車體上的應用[J].制造技術，2009，32（3）：28-31.

[3]Chen Huabin，YanKeng，Lin Tao，et al.The investigation of ical welding defects for 5456 alum Friction Stir Welds[J].Materials Science and Engineering，2005（405）：333-338.

[4]Y S Sato，H Takauchi，S H C Park，et al.Characteristics of the KIssing-bond in Friction Stir Welded Alalloy 1050[J].Material and Technology，2005，405（1）：333-338.

[5]柯黎明，潘際鑾，邢麗，等.攪拌針形狀對攪拌摩擦焊焊縫截面形貌的影響[J].焊接學報，2007，28（5）：33-37.

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