轉(zhuǎn)速、焊速對(duì)6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊性能的影響

康 銘，孫 巍，李鵬偉，申 智，鄂英凱

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

6×××系鋁合金是Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的塑性和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航天航空、核工業(yè)、軌道交通等領(lǐng)域。鋁合金材料的攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)是一種固相連接方法，其接頭性能優(yōu)于傳統(tǒng)熔化焊接接頭性能，且具有無(wú)熱裂紋、變形及殘余應(yīng)力較小等特點(diǎn)[1-3]。因此，攪拌摩擦焊技術(shù)被廣泛用于鋁合金的生產(chǎn)制造中。

對(duì)于6061鋁合金的攪拌摩擦焊接已有一些研究[4-6]，這些研究都基于中厚板材，而關(guān)于薄板（厚3mm）的焊接研究較少。本文針對(duì)3mm 厚6061-T6鋁合金板材攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行了研究，探討不同的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度對(duì)其焊接性能的影響，并對(duì)在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的“S”線缺陷提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

焊接試板采用公司自主生產(chǎn)的6061-T6鋁合金板材，板材尺寸規(guī)格為150mm×500mm×3mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1，母材力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 6061-T6板材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表2 母材的力學(xué)性能

試驗(yàn)設(shè)備采用HT-JM16×30/2二維龍門(mén)攪拌摩擦焊機(jī)，選用帶螺紋的錐形攪拌頭，攪拌頭軸肩直徑為12mm，攪拌針根部直徑為4mm，針長(zhǎng)為2.75mm。焊接形式為對(duì)接，焊接方向平行于擠壓方向，采用機(jī)械方法清理表面氧化膜及油污。攪拌摩擦焊攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度固定，改變焊接速度，具體參數(shù)見(jiàn)表3。固定焊接速度改變攪拌頭轉(zhuǎn)速，具體參數(shù)見(jiàn)表4。垂直于焊接方向截取金相試樣，經(jīng)砂紙打磨和機(jī)械拋光后，用10%NaOH水溶液試劑腐蝕。使用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察接頭組織形貌。按照GB/T 2651-2008使用島AG-X100KNH 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)母材和焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每組測(cè)試3個(gè)試樣，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表3 固定攪拌頭轉(zhuǎn)速改變焊接速度的工藝參數(shù)

表4 固定焊接速度改變攪拌頭轉(zhuǎn)速的工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸性能

在上述工藝參數(shù)下得到的6061-T6焊縫力學(xué)性能見(jiàn)表5。從表中可以看出，在轉(zhuǎn)速較高（1300、1400、1500r/min）時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速的增加而減小；而轉(zhuǎn)速較低（1100r/min）時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度同樣較低。轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最高。分析原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)速較高時(shí)，攪拌摩擦作用增強(qiáng)，產(chǎn)熱功率較大，焊接熱輸入能量過(guò)大，焊縫溫度過(guò)高，焊縫組織粗化，抗拉強(qiáng)度低；當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，焊接熱輸入變小，導(dǎo)致塑性狀態(tài)的金屬體積減少，焊縫金屬的流動(dòng)性變差，從而降低焊縫的力學(xué)性能；但是當(dāng)轉(zhuǎn)速不變而焊接速度在550～750mm·min-1范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響不大，焊縫的力學(xué)性能可以達(dá)到母材的79.57%～81.16%。只有當(dāng)焊接速度增加到800mm·min-1時(shí)，焊縫的強(qiáng)度才有明顯的下降。這是因?yàn)殡S著焊接速度的增大，攪拌頭與金屬材料之間的摩擦產(chǎn)熱不足以使金屬產(chǎn)生充分的塑性流動(dòng)，使得焊縫的力學(xué)性能降低。

圖1為不同攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度下的抗拉強(qiáng)度變化曲線。從圖中可以看到攪拌頭轉(zhuǎn)速對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響較大，焊接速度對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響較小。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在未經(jīng)任何焊后熱處理時(shí)，將焊接速度控制在700mm·min-1、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為1200r·min-1時(shí)，3mm 厚 的6061-T6鋁合金焊縫的強(qiáng)度最高達(dá)到251.608MPa，達(dá)到了母材的81.16%。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度保持在1200r·min-1時(shí)焊接的工藝窗口較寬。

表5 不同焊接參數(shù)下的力學(xué)性能

圖2為不同攪拌頭轉(zhuǎn)速拉伸試樣斷裂位置，圖3為不同焊接速度拉伸試樣斷裂位置。從圖中可以看到，在攪拌頭不同旋轉(zhuǎn)速度下，拉伸斷裂試樣斷裂的位置并不規(guī)則，斷裂的位置分別在前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)、焊縫中心處、后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)處；而不同焊接速度的拉伸斷裂試樣的斷裂位置均在后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)處。

2.2 彎曲性能

根據(jù)GB/5173要求，對(duì)不同攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度下的攪拌摩擦焊接接頭進(jìn)行背部彎曲試驗(yàn)，彎曲直徑為34mm，彎曲角度為150°，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，不同攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊速條件下焊接接頭都表現(xiàn)出了良好的彎曲性能。這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁高^(guò)程中熱輸入量相對(duì)傳統(tǒng)弧焊較低，焊核是在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶條件下形成的，焊核晶粒多為幾個(gè)微米尺寸的等軸晶[7]，在此參數(shù)范圍內(nèi)攪拌摩擦焊接接頭雖表面形貌和金相組織有所差異，但焊縫內(nèi)部都無(wú)缺陷產(chǎn)生，表現(xiàn)出了良好的彎曲性能。

2.3 接頭宏觀組織

圖5是不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下焊縫的表面宏觀形貌。可以看出，焊縫表面成形良好的同時(shí)，隨著焊接過(guò)程中攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，焊縫表面逐漸變得粗糙。在焊接速度一定的情況下，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度越大，單位長(zhǎng)度上熱輸入越大，導(dǎo)致部分金屬粘附于攪拌針軸肩下。粘附金屬與板材表面相互作用使焊縫金屬表面粗糙度增大。

圖6是不同焊接速度下焊縫的宏觀表面形貌。可以看出，在焊縫表面成形良好的同時(shí)，隨著焊接過(guò)程中焊接速度的增加，焊縫表面軸肩壓痕的距離逐漸變大。

不同轉(zhuǎn)速下焊縫宏觀金相組織如圖7所示。從圖中可以看到，當(dāng)焊接速度為700mm·min-1、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度在1100～1500r·min-1時(shí)均可獲得無(wú)缺陷的焊縫，同時(shí)隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，焊縫中“S”線缺陷逐漸減少。說(shuō)明焊接過(guò)程中隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，單位焊接熱輸入增大，塑化金屬向焊縫下部流動(dòng)的趨勢(shì)增強(qiáng)，可以更加充分地粉碎焊前對(duì)接處的氧化膜，同時(shí)減少焊接過(guò)程中氧化膜的形成。

不同焊接速度下焊縫的宏觀金相組織如圖8所示。從圖中可以看到當(dāng)攪拌頭的轉(zhuǎn)速為1200r·min-1時(shí)，焊接速度在550～800mm·min-1范圍內(nèi)均可獲得無(wú)缺陷的焊縫。焊接速度越小，單位長(zhǎng)度焊縫上攪拌頭旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)越多，導(dǎo)致由攪拌針表面螺紋向攪拌針端部流動(dòng)的塑性金屬越多，因此可以充分地粉碎焊前對(duì)接處的氧化膜，并減少焊接過(guò)程中氧化膜的形成。

3 結(jié)論

（1）將3mm厚的6061-T6鋁合金板材攪拌摩擦焊的焊接速度控制在700mm·min-1、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為1200r·min-1時(shí)，焊縫的強(qiáng)度最高達(dá)到251.608MPa，達(dá)到了母材的81.16%。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度保持在1200r·min-1時(shí)焊接工藝窗口較寬。

（2）攪拌頭轉(zhuǎn)速對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響較大，焊接速度對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響較小。

（3）焊接速度不變而提高攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度不變而減小焊接速度能夠減少焊縫中的“S”線缺陷。