6005A-T6鋁合金型材攪拌摩擦焊工藝參數(shù)優(yōu)化

郁志凱，劉春寧，鈕旭晶，范東宇

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金因其質(zhì)輕高強(qiáng)、可回收重熔等特點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于動(dòng)車和地鐵等車體結(jié)構(gòu)中[1]。鋁合金材料對(duì)相應(yīng)的連接技術(shù)也提出更高的要求[2]。鋁及鋁合金的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，極易在表面形成致密且難熔（Al2O3熔點(diǎn)約為2 050℃）的氧化膜，加之鋁合金的導(dǎo)熱性強(qiáng)，在使用傳統(tǒng)的熔化焊連接方法時(shí)容易形成不熔合及裂紋等缺陷。另外鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)大，采用高熱輸入的熔化焊時(shí)容易產(chǎn)生較大的翹曲變形。因此采用熔化焊方法焊接鋁合金對(duì)操作人員和焊接工藝要求很高。

攪拌摩擦焊是一種新型連接技術(shù)，它依靠攪拌頭與工件的摩擦產(chǎn)生熱量，使焊縫區(qū)域受熱形成塑性流動(dòng)狀態(tài)，并通過攪拌針的攪拌作用達(dá)到連接的目的[3]。攪拌摩擦焊的焊接溫度是鋁合金熔點(diǎn)的0.7～0.9倍（約為470～560℃），熱輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔化焊，在焊接接頭區(qū)域能形成較小的溫度梯度，減小焊接變形，大大降低焊縫的殘余應(yīng)力。同時(shí)攪拌摩擦焊攪拌頭的軸肩在焊接過程中對(duì)焊縫表面施加一定壓力，使得焊縫表面更為光滑平整[4]。與傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊具有無飛濺、無煙塵、不需要填充材料和保護(hù)氣體、對(duì)操作者的技能要求不高、易實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化焊接等諸多優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金焊接過程中優(yōu)勢(shì)明顯。本研究以某型號(hào)地鐵側(cè)墻板為依托，對(duì)6005A-T6鋁合金型材進(jìn)行大量的工藝參數(shù)研究，通過對(duì)比驗(yàn)證獲得最優(yōu)工藝參數(shù)，為實(shí)際焊接生產(chǎn)應(yīng)用提供有力的依據(jù)[5]。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)型材如圖1所示，長3m，分段焊接，每段焊接長度500 mm。焊接接頭為對(duì)搭接形式，接頭名義厚度4.5 mm，焊縫兩側(cè)均設(shè)計(jì)有厚度0.5 mm、寬11 mm的工藝補(bǔ)償凸臺(tái)，如圖2所示。型材材料為6005AT6鋁合金，化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

圖1 側(cè)墻板模型

圖2 對(duì)搭接接頭形式

表1 6005A-T6中空鋁型材的化學(xué)成分%

表2 6005A-T6中空鋁型材的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和工裝

試驗(yàn)設(shè)備為149廠生產(chǎn)的靜龍門攪拌摩擦焊設(shè)備，型號(hào)HT-JM10X40/2，具備主軸恒壓力控制系統(tǒng)。設(shè)備能提供的最大頂鍛力50 kN，主軸最大焊接轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大焊接速度3 000 mm/min。工裝為側(cè)墻板攪拌摩擦焊專用工裝，如圖3所示。

攪拌頭如圖4所示，其材質(zhì)為高速工具鋼，軸肩直徑18 mm，攪拌針長4.8 mm，攪拌針形狀為錐形，帶有螺紋，攪拌針直徑7.0mm（根部直徑7.2mm），軸肩位置開有開口型回?cái)n槽。

圖3 設(shè)備及工裝

圖4 攪拌頭

1.3 試驗(yàn)過程和方法

焊接前采用打磨機(jī)、千葉片和鋼絲刷等工具打磨清理焊縫及附近區(qū)域的氧化膜，然后使用清洗劑去除焊縫表面及附近區(qū)域的油污。

圖5 轉(zhuǎn)速、焊速參數(shù)分布

根據(jù)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果，初步擬定150組焊接試驗(yàn)參數(shù)，參數(shù)范圍如圖5所示，轉(zhuǎn)速ω為1 000～2 100 r/min，焊接速度 v 為 500～2 200 mm/min，焊接過程中保持?jǐn)嚢桀^的前傾角為2°，預(yù)熱時(shí)間1 s。

試驗(yàn)初期不使用恒壓力控制系統(tǒng)，設(shè)定攪拌頭的壓入量為0.1 mm，對(duì)轉(zhuǎn)速和焊接速度參數(shù)進(jìn)行初步篩選，同時(shí)打開壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量頂鍛力的數(shù)據(jù)范圍。后期確定轉(zhuǎn)速和焊接速度后，再調(diào)節(jié)壓力參數(shù)，以獲得不同性能的焊縫接頭。

焊接完成后，對(duì)試件進(jìn)行外觀檢測(cè)（ISO17637）和滲透檢測(cè)（ISO3452-1）。無損檢測(cè)合格后切取試件進(jìn)行宏觀、微觀金相檢測(cè)以及拉伸（ISO4136）、彎曲（ISO5173）試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸如圖6所示。

圖6 拉伸試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

影響攪拌摩擦焊焊縫質(zhì)量的參數(shù)較多，其中最主要的是轉(zhuǎn)速、焊接速度以及焊接頂鍛力。本研究通過先調(diào)整轉(zhuǎn)速和焊接速度，獲得焊縫外觀較好的參數(shù)，然后調(diào)整焊接頂鍛力，獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。

2.1 轉(zhuǎn)速與焊接速度參數(shù)優(yōu)化

不同焊速與焊接速度下側(cè)墻板的焊縫外觀如圖7所示。在ω=1 000 r/min，v=1 100 mm/min的情況下，攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱不足，焊縫表面出現(xiàn)犁溝缺陷，同時(shí)有不易去除的大飛邊，降低焊接速度（見圖7b）或者提高轉(zhuǎn)速（見圖7c）均可消除犁溝缺陷，減少飛邊生成。在較高轉(zhuǎn)速、較低焊接速度下（見圖7d），攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱過多，焊縫表面出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可引起“起皮”缺陷。

2.2 焊接頂鍛力參數(shù)優(yōu)化

較好的焊速和焊接速度下，不同頂鍛力時(shí)側(cè)墻板的焊縫外觀與宏觀金相照片如圖8所示。

由圖8可知，在轉(zhuǎn)速和焊接速度相同的情況下，采用恒壓力進(jìn)行焊接，較小的焊接頂鍛力（見圖8a）使得攪拌頭壓入工件較淺，接觸面積減少，焊接熱輸入降低，焊縫區(qū)域金屬塑性、流動(dòng)性不足，出現(xiàn)小隧道等缺陷。當(dāng)焊接頂鍛力（見圖8c）較大時(shí)，攪拌頭壓入工件過深，更多的金屬被擠壓出來形成較大飛邊，同時(shí)型材筋板不足以支撐如此大的頂鍛力，產(chǎn)生下塌，導(dǎo)致大隧道、焊洇及未焊滿等缺陷。

圖7 不同轉(zhuǎn)速、焊接速度參數(shù)下的側(cè)墻板焊縫外觀

最終確定側(cè)墻板攪拌摩擦焊的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 500 r/min、焊接速度1 100 mm/min、焊接頂鍛力13.5 kN。焊后焊縫成形美觀，表面無飛邊、毛刺等缺陷，內(nèi)部無隧道，抗拉強(qiáng)度可達(dá)215MPa，彎曲性能180°，不出現(xiàn)任何缺陷。該參數(shù)下的微觀金相和應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速過低或焊接速度過高時(shí)，攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱不足，焊縫表面易出現(xiàn)“犁溝、飛邊”等缺陷；當(dāng)轉(zhuǎn)速過高或焊接速度過低時(shí)，攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱過多，焊縫表面又會(huì)出現(xiàn)“毛刺、起皮”等缺陷。

（2）焊接頂鍛力較小時(shí)，攪拌頭壓入工件較淺，接觸面積少，焊接熱輸入低，易出現(xiàn)“隧道”等缺陷；焊接頂鍛力過大時(shí)，攪拌頭壓入工件過深，易形成“大飛邊”缺陷，同時(shí)，側(cè)墻板型材筋板不足以支撐這么大的頂鍛力，產(chǎn)生下塌，導(dǎo)致“隧道、焊洇及未焊滿”等缺陷。

（3）綜合考慮焊縫外觀成形質(zhì)量、金相結(jié)果以及力學(xué)性能等各因素，最終確定側(cè)墻板攪拌摩擦焊的最優(yōu)合格焊接工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 500 r/min、焊速1 100 mm/min、焊接頂鍛力13.5 kN。

圖8 不同頂鍛力參數(shù)下側(cè)墻板焊縫外觀與宏觀金相

圖9 最優(yōu)合格工藝參數(shù)下的微觀金相和應(yīng)力應(yīng)變曲線

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