不同軸向壓力對(duì)鋁合金側(cè)墻攪拌摩擦焊質(zhì)量的影響

于 巖，王陸釗，于 海，徐艷麗，趙麗玲

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

攪拌摩擦焊FSW對(duì)工件的焊接，主要通過(guò)焊接工具的高速旋轉(zhuǎn)摩擦、攪拌實(shí)現(xiàn)的。其過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)柱狀帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)下扎，使材料發(fā)生熱塑性變形，隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)，其周?chē)乃芑饘傧蚱浜蠓叫D(zhuǎn)沉積，再通過(guò)軸肩的下壓填充由攪拌頭前進(jìn)而形成的空穴，從而形成攪拌摩擦焊焊縫[1]。鋁合金制造的車(chē)體結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中采用傳統(tǒng)的熔化焊方法易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺欠。與傳統(tǒng)的弧焊方法相比較，攪拌摩擦焊在輕合金材料的連接方面具有許多優(yōu)越性，固相連接、小的焊接變形、不需要添絲和保護(hù)氣、優(yōu)良的接頭性能、沒(méi)有熔化、節(jié)省能源、無(wú)煙塵、無(wú)飛濺和無(wú)UV輻射，從原理上可根除鋁合金熔焊時(shí)的裂紋、氣孔等缺陷，是一種綠色環(huán)保的焊接技術(shù)[2]。

1 試驗(yàn)條件

以地鐵列車(chē)側(cè)墻型材為研究對(duì)象，其材料為6005A-T6[3-4]。化學(xué)成分如表1所示，接頭形式為對(duì)搭接形式，如圖1所示。焊接設(shè)備為FOOKE研制的動(dòng)龍門(mén)攪拌摩擦焊焊接設(shè)備（FSW-HSC-1000）如圖2所示。FSW焊前，用清洗劑去除表面油污，然后用角磨機(jī)、不銹鋼絲刷等機(jī)械方法清理工件待焊表面、坡口面及搭接面的氧化膜。待焊表面打磨區(qū)域?yàn)槿垦a(bǔ)償凸臺(tái)區(qū)域。攪拌針長(zhǎng)4.8 mm，軸肩直徑20 mm，前傾角2°，在主軸轉(zhuǎn)速和焊接速度確定的情況下，主要改變軸向壓力及壓入量，主要參數(shù)如表2所示。從結(jié)構(gòu)件上切割截取試件，對(duì)FSW接頭進(jìn)行宏觀金相、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)。

表1 6005A-T6鋁合金的化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀金相試驗(yàn)

在不同工藝參數(shù)下，對(duì)側(cè)墻型材進(jìn)行焊接，然后截取接頭制取金相試樣，觀察接頭宏觀形貌，如圖3所示。在轉(zhuǎn)速800 r/min、焊接速度1 000 mm/min條件下改變軸向壓力及壓入量，結(jié)果出現(xiàn)攪拌頭下扎，且飛邊較大情況（見(jiàn)圖3a）。試驗(yàn)2焊縫良好，飛邊較小且未發(fā)現(xiàn)隧道、孔洞等缺陷（見(jiàn)圖3b）。試驗(yàn)3焊縫出現(xiàn)隧道缺陷，且飛邊較大（見(jiàn)圖3c）。試驗(yàn)4焊縫出現(xiàn)隧道（見(jiàn)圖3d）。

圖1 焊接接頭形式

圖2 焊接設(shè)備

表2 攪拌摩擦焊工藝參數(shù)

圖3 宏觀金相

2.2 拉伸彎曲試驗(yàn)

選用轉(zhuǎn)速800 r/min、焊接速度1 000 mm/min，在軸向壓力及壓入量改變的情況下進(jìn)行側(cè)墻板FSW焊接，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO4136《金屬材料焊接的破壞性試驗(yàn)—橫向拉伸試驗(yàn)》、ISO5173《金屬材料焊縫的有損檢驗(yàn)—彎曲試驗(yàn)》從側(cè)墻上截取試件進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。F1為試驗(yàn)1試件，依次類(lèi)推，F(xiàn)4為試驗(yàn)4試件。

表3 FSW試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，試驗(yàn)4試件的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到207.7 MPa，約為母材的81.5%（母材的抗拉強(qiáng)度為255 MPa），平均抗拉強(qiáng)度為196.8 MPa，約為母材的77%。試驗(yàn)1試件的抗拉強(qiáng)度最低，平均抗拉強(qiáng)度為182.3 MPa約為母材抗拉強(qiáng)度的71%。依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO25239-4《攪拌摩擦焊-鋁：焊接工藝規(guī)程及評(píng)定》，處于焊接后狀態(tài)的焊接接頭試樣的抗拉強(qiáng)度Rm（w）應(yīng)滿足以下要求

式中 Rm（pm）為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求的母材抗拉強(qiáng)度的最低規(guī)定值；T為焊接接頭效率系數(shù)。6005A-T6鋁合金，焊接接頭的接頭效率T=0.6，可得Rm（w）=153 MPa。

試驗(yàn)1～試驗(yàn)4試件對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為182.3 MPa、192.2 MPa、183 MPa、196.8 MPa，均滿足ISO25239-4標(biāo)準(zhǔn)的要求。彎曲試驗(yàn)（面彎和背彎）試件均合格，彎曲角180°且無(wú)裂紋。各試驗(yàn)彎曲宏觀形貌如圖4所示。

圖4 彎曲宏觀形貌

由以上試驗(yàn)參數(shù)及宏觀金相可知，在主軸轉(zhuǎn)速和焊接速度一定的情況下，軸向壓力不能過(guò)大或過(guò)小，軸向壓力過(guò)大易導(dǎo)致攪拌頭下扎，損傷母材，軸向壓力過(guò)小，母材金屬攪拌不充分易導(dǎo)致隧道缺陷的產(chǎn)生。隨著壓入量的增大，更容易產(chǎn)生飛邊。軸向壓力及壓入量變化對(duì)試件拉伸性能和彎曲性能影響較小。

3 FSW焊接缺陷分析

3.1 FSW缺陷及產(chǎn)生原因

在FSW工藝試驗(yàn)過(guò)程中主要產(chǎn)生以下幾種缺陷：攪拌頭下扎缺陷、隧道缺陷、飛邊大缺陷以及未焊透缺陷。

攪拌頭下扎是焊接過(guò)程中攪拌針偏離預(yù)定位置產(chǎn)生軸向壓入量并向母材內(nèi)部下移所產(chǎn)生的一種缺陷，如圖3a所示。隨著軸向壓入量的增加，攪拌針周?chē)芑饘贉囟鹊纳呤菇饘僬扯认陆担瑪嚢栳槺砻媛菁y與塑化金屬之間易產(chǎn)生相對(duì)滑移，單位時(shí)間內(nèi)塑化金屬沿螺紋間隙向下遷移量減少，同時(shí)焊縫金屬過(guò)度軟化，使攪拌頭產(chǎn)生下扎。軸向壓力過(guò)大或軸肩壓入量過(guò)大均會(huì)產(chǎn)生攪拌頭下扎缺陷[6]。

隧道型缺陷是指沿焊接方向塑性金屬流動(dòng)未填滿焊縫形成的類(lèi)似隧道的空洞，亦稱(chēng)為蠕洞缺陷。隧道缺陷的形成主要是由于焊接過(guò)程中熱輸入不夠，達(dá)到塑性化狀態(tài)的材料不足，材料流動(dòng)不充分而導(dǎo)致在焊縫內(nèi)部形成材料未完全閉合現(xiàn)象，如圖3d所示。該類(lèi)缺陷通常位于接頭前進(jìn)側(cè)的中下部及焊縫表面附近。除上述原因外，焊接過(guò)程中軸向壓力不足或壓入量過(guò)小及焊接過(guò)程中對(duì)接間隙過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致隧道缺陷的產(chǎn)生。此外攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理則不能保證塑性材料充分流動(dòng)，焊后容易產(chǎn)生隧道缺陷。

飛邊缺陷出現(xiàn)在焊縫表面，通常是由于焊接壓力過(guò)大導(dǎo)致較多的塑性材料從軸肩兩側(cè)擠出冷卻后形成的一種缺陷，如圖3c所示。攪拌摩擦焊接過(guò)程是一個(gè)焊縫材料體積不變的過(guò)程,在實(shí)際焊接過(guò)程中，攪拌頭軸肩、針部、未熔化的母材金屬形成一個(gè)“擠壓模”，發(fā)生塑性變形的材料在“擠壓模”中流動(dòng)。如果焊接壓力過(guò)大，即攪拌頭扎入過(guò)深，會(huì)使“擠壓模”體積小于正常焊接時(shí)的體積，導(dǎo)致部分塑性材料從軸肩兩側(cè)擠出，冷卻后形成飛邊缺陷。飛邊產(chǎn)生的主要原因是軸向壓力過(guò)大或壓入量過(guò)大，焊接錯(cuò)邊，焊接接頭部位的板厚差過(guò)大。

未焊透是指在焊縫底部未形成連接或不完全連接而出現(xiàn)的“裂紋狀”缺陷，焊接壓力過(guò)小時(shí)容易形成根部未焊透。未焊透的產(chǎn)生實(shí)際上是攪拌針長(zhǎng)度不足造成的。在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，如果攪拌針長(zhǎng)度合適，兩塊對(duì)接板材之間對(duì)接面上的氧化物會(huì)在攪拌針旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)過(guò)程中被打碎，并在攪拌頭后部形成致密的接頭，氧化物彌散分布在接頭中。如果攪拌針長(zhǎng)度比正常尺寸短，攪拌針在焊接過(guò)程中不能完全攪拌焊縫厚度方向上的材料，尤其是接頭下部的材料，加上板材對(duì)接面氧化物的存在，在焊接后接頭根部會(huì)出現(xiàn)裂紋狀的未焊透缺陷。

3.2 FSW缺陷控制措施

根據(jù)FSW缺陷產(chǎn)生的原因，提出以下應(yīng)對(duì)措施：（1）焊前用清洗劑去除油污，打磨去除氧化膜，確保待焊區(qū)域無(wú)油污，表面光滑清潔。（2）合理匹配焊接參數(shù)，控制軸向壓力、焊接壓入量及熱輸入在合適范圍。（3）合理選配攪拌頭。（4）控制母材對(duì)接間隙值不超過(guò)0.2 mm，錯(cuò)邊不大于0.1t（t為板厚），最大不超過(guò)0.5 mm。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)得出合理的參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速800r/min，焊接速度1000mm/min，軸向壓力14.5kN，壓入量0 mm。

（2）在主軸轉(zhuǎn)速和焊速一定的情況下，軸向壓力及壓入量變化對(duì)試件拉伸性能和彎曲性能影響較小。

（3）在主軸轉(zhuǎn)速和焊接速度一定的情況下，軸向壓力不能過(guò)大或過(guò)小，軸向壓力過(guò)大易導(dǎo)致攪拌頭下扎，損傷母材，軸向壓力過(guò)小，母材金屬攪拌不充分易導(dǎo)致隧道缺陷的產(chǎn)生。隨著壓入量增大，更容易產(chǎn)生飛邊。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張亞，朱志民，史清宇，等.鋁合金列車(chē)側(cè)墻攪拌摩擦焊變形模擬仿真與工藝優(yōu)化[J].電焊機(jī)，2014，44（4）：78-82.

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