氧化膜對6005A-T6鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭性能的影響

陳曉霞，李 充，吳 昊，范東宇，馬永志

（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（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是一種固相連接技術(shù)，具有無煙霧、弧光、飛濺，無需填絲和保護氣等優(yōu)點，且易于操作、自動化程度高、連接質(zhì)量好[1]，正在大步取代傳統(tǒng)鋁合金的熔焊方法，使得鋁合金結(jié)構(gòu)的制造與鋁型材加工領(lǐng)域迎來革命性的跨越式發(fā)展[2]。盡管如此，F(xiàn)SW仍存在難以實現(xiàn)空間無支撐結(jié)構(gòu)的焊接、接頭根部易產(chǎn)生未焊透缺陷的缺點。雙軸肩攪拌摩擦焊（Bobbin Tool FSW，BT-FSW）是FSW的一個重要變體，其下軸肩取代FSW的背部墊板，使FSW技術(shù)能夠成功應(yīng)用于中空及空間無支撐結(jié)構(gòu)的焊接[3-4]，同時雙軸肩的作用徹底避免根部缺陷的發(fā)生，已經(jīng)大量應(yīng)用于高鐵行業(yè)[5]。在此以高速列車用6005A-T6鋁合金為研究對象，揭示氧化膜對BT-FSW接頭組織性能的影響，為雙軸肩攪拌摩擦焊的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為6005A-T6型材，屬于鋁鎂硅6系可熱處理強化鋁合金，化學成分及力學性能如表1 所示。

表1 6005A-T6鋁合金化學成分及力學性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 6005A-T6 aluminum alloy

6005A-T6鋁合金的微觀組織特征如圖1所示。經(jīng)過軋制后，母材晶粒呈長條狀，晶粒取向具有很強的方向性，強化相在軋制過程中被破碎并呈不規(guī)則彌散分布于基體各個晶粒之間。

圖1 6005A-T6鋁合金微觀組織Fig.1 Microstructure of 6005A-T6 aluminum alloy

1.2 試驗方法

試板尺寸為700 mm×300 mm×5 mm，焊接坡口裝配見圖2，焊縫形式為5I。組裝間隙小于0.2 mm，焊接參數(shù)為轉(zhuǎn)速600 r/min、焊速600 mm/min。

圖2 攪拌摩擦焊坡口裝配Fig.2 FSW assembly

雙軸肩攪拌頭為凸面帶螺紋的軸肩配合柱狀攪拌針，上軸肩直徑分別為23 mm、20 mm，軸肩間隙4.8 mm，焊接試驗在動龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備上進行。焊接試板的焊前準備分別為兩種狀態(tài)：一種為焊前經(jīng)過機械打磨后用有機溶劑擦拭，去除表面氧化膜及油污；一種為用有機溶劑擦拭，去除表面油污，不對表面氧化膜進行處理。兩種試板采用相同工藝參數(shù)進行焊接，以研究氧化膜對接頭組織和性能的影響。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 拉伸性能

按照國家標準GB/T2651-2008焊接接頭拉伸測試方法，采用電火花數(shù)控切割機將焊接接頭切成標準試件。在INSTRON5569電子萬能材料試驗機上進行常溫拉伸測試，拉伸速度1 mm/min，焊接接頭拉伸試驗結(jié)果如表2所示。不去除氧化膜的抗拉強度平均值為184.3 MPa，斷裂位置在焊縫中間；去除氧化膜后的抗拉強度平均值達到219.3 MPa，拉伸試件斷裂位置在焊縫的熱影響區(qū)（HAZ）。

表2 拉伸試驗結(jié)果Table 2 Result of tensile test

不去除氧化膜得到的接頭拉伸試樣如圖3所示。由圖3可知，接頭在拉伸過程中裂紋沿焊縫中間位置發(fā)生起裂和擴展，最終導(dǎo)致試樣失效。在不去除氧化膜的前提下，接頭強度184.3 MPa，為母材強度的72.2%。

去除氧化膜得到的接頭拉伸試樣如圖4所示。由圖4可知，拉伸斷裂發(fā)生在焊接前進側(cè)熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)過渡區(qū)域，斷裂路徑與板材表面成45°角。在去除氧化膜的前提下，接頭強度219.3 MPa，為母材強度的86%。

圖3 不去除氧化膜的接頭拉伸試樣Fig.3 Tensile sample without wipping off oxidation film

圖4 去除氧化膜的接頭拉伸試樣Fig.4 Tensile sample with wipping off oxidation film

2.2 彎曲性能

垂直于焊縫方向截取試樣，機械加工后，焊縫中心線應(yīng)位于試樣長度中心。本試驗采用接頭的橫向正彎（焊縫上表面承受拉應(yīng)力）180°和橫向背彎（焊縫下表面受拉應(yīng)力）180°的方式，常溫條件下在INSTRON5569電子萬能材料試驗機上進行，彎曲跨距60 mm，加載速度5 mm/min。

不去除氧化膜得到的接頭彎曲試樣如圖5所示。由圖5可知，在正彎和背彎測試中，在彎曲角度很小時試樣即發(fā)生斷裂，且都是沿著S線發(fā)生，彎曲不合格。這說明不去除氧化膜得到的雙軸肩攪拌摩擦焊接頭中S線處雖無明顯的體積型缺陷，但實際上S線兩側(cè)金屬結(jié)合并不緊密，S線是接頭的承載能力最弱處。

圖5 不去除氧化膜的接頭彎曲試樣Fig.5 Bending sample without wipping off oxidation film

去除氧化膜得到的接頭彎曲試樣如圖6所示。由圖6可知，去除氧化膜得到的接頭的正反彎曲測試結(jié)果均未發(fā)生開裂，彎曲合格。

圖6 去除氧化膜的接頭彎曲試樣Fig.6 Bending sample with wipping off oxidation film

2.3 微觀組織

不去除氧化膜得到的接頭微觀組織如圖7所示。由圖7可知，焊縫中間存在一條很明顯的“C”形曲線，與單軸肩攪拌摩擦焊接頭微觀組織中存在的S線形態(tài)一致，也稱為S線。這是因為雙軸肩攪拌頭有上下兩個軸肩，焊接過程中兩個軸肩會同時對焊縫塑性金屬的流動產(chǎn)生影響，所以形成的S線與單軸肩攪拌摩擦焊不一致，“C”形S線是雙軸肩攪拌摩擦焊特有的。接頭在拉伸過程中裂紋在S線發(fā)生并擴展，導(dǎo)致焊縫在中間位置發(fā)生斷裂（見圖3）。

圖7 不去除氧化膜的接頭微觀組織Fig.7 Microstructure without wipping off oxidation film

去除氧化膜得到的接頭微觀組織如圖8所示。圖8a為焊縫橫截面宏觀形貌，BT-FSW接頭分區(qū)為：焊核區(qū)（WNZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）。

圖8b～圖8d分別為焊接熱影響區(qū)、熱機影響區(qū)和焊核區(qū)的組織形貌。晶粒尺寸關(guān)系：HAZ＞TMAZ＞W(wǎng)NZ。HAZ晶粒形態(tài)大小不一，呈扁平狀分布；TMAZ晶粒呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性，晶粒形態(tài)不規(guī)則。一般認為WNZ受到攪拌頭強烈的摩擦和機械攪拌作用，在焊接高溫和劇烈塑性變形的基礎(chǔ)上，主要通過動態(tài)再結(jié)晶形成均勻的等軸晶組織。

由于焊前已經(jīng)對表面氧化膜進行處理，在微觀組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的S線，焊縫開裂發(fā)生在焊縫中的薄弱環(huán)節(jié)——熱影響區(qū)（HAZ）。

圖8 去除氧化膜的接頭微觀組織Fig.8 Microstructure with wipping off oxidation film

3 結(jié)論

（1）使用6005A-T6鋁合金研究氧化膜對接頭組織及性能的影響。結(jié)果表明，在不進行表面氧化膜處理的情況下，接頭抗拉強度184.3 MPa，為母材強度的72.2%，彎曲不合格；在進行表面氧化膜處理的情況下，接頭抗拉強度219.3 MPa，為母材強度的86%，彎曲合格。

（2）在不進行表面氧化膜處理的情況下，接頭會產(chǎn)生“C”形S線，拉伸和彎曲過程中裂紋在S線產(chǎn)生并擴展，最終導(dǎo)致拉伸試件在焊縫中間斷裂，彎曲結(jié)果不合格。

（3）在進行表面氧化膜處理的情況下，接頭中不存在明顯的S線，接頭分為焊核區(qū)（WNZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM），焊縫開裂發(fā)生在焊縫中的薄弱環(huán)節(jié)——熱影響區(qū)（H AZ）。

參考文獻：

[1]REN Shurong，MA Zongyi，CHEN Liqing.Research status and prospect of friction stirwelding and friction stir processing[J].Materials Review，2007，21（1）：86-92.

[2]關(guān)橋.攪拌摩擦焊——未來的連接技術(shù)[A].攪拌摩擦焊技術(shù)論文集[C].北京：攪拌摩擦焊國際會議，2012：2-6.

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[5]FRATINI L，ZUCCARELLO B.An analysis of through-thi sckness residual stresses in aluminium FSW butt joints[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46（6）：611-619.