6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織性能分析

劉巖 王曉民 江雨匯 萬學(xué)林 高巖

摘 要：試驗采用攪拌摩擦焊焊接6082-T6鋁合金薄板，研究刀具轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給角、板厚等參數(shù)對焊縫宏觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，前進(jìn)角度為3°時，焊縫宏觀形貌最佳;工具轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，焊接速度為146 mm/min、196 mm/min時可以獲得良好的焊縫宏觀形貌;工具旋轉(zhuǎn)速度3 000 rpm、焊接速度196 mm/min焊接時，在攪拌區(qū)的中心出現(xiàn)帶狀結(jié)構(gòu)的氧化膜，但與力學(xué)性能無相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：鋁合金;攪拌摩擦焊;氧化膜

中圖分類號：TG453.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 序言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種較新的焊接工藝，無煙塵、不使用填充材料、可與鋁、銅、鎂、鋅、鋼、鈦等多種金屬合金配合使用[1]。在有色金屬連接方面具有獨特優(yōu)勢而得到廣泛關(guān)注，特別是鋁合金焊接，已廣泛應(yīng)用于各種材料工業(yè)，包括航空航天、造船、軌道交通等。目前，6系列鋁合金的FSW材料的研究相對較多，多數(shù)攪拌摩擦焊焊接的板厚為46 mm。6082-T6鋁合金由于焊接性能差，熔化焊方法焊接時存在氣孔、熱裂紋和焊接接頭軟化等問題，使得接頭強(qiáng)度無法滿足服役要求，且汽車車體材料一般為2 mm厚的薄板，在不去除氧化膜的條件下，調(diào)控摩擦攪拌焊的工藝參數(shù)用于6082-T6 2 mm厚鋁合金薄板焊接，使材料的微觀組織性能與FSW焊接4 mm以上厚度的板材相似就有現(xiàn)實意義。試驗研究刀具轉(zhuǎn)數(shù)、焊接進(jìn)給速度、板厚等參數(shù)對宏觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果為實現(xiàn)鋁合金材料高效高質(zhì)量焊接加工奠定基礎(chǔ)。

1 試驗方法

試驗選用2 mm 6082-T6鋁合金平板，規(guī)格150 mm×100 mm，主要合金成分如表1所列。

試驗采用LT-XJ08-1510-05X小型靜龍門攪拌摩擦焊設(shè)備，組織觀察采用蔡司AXIO Observer A1m金相顯微鏡，硬度試驗采用THVS-5顯微維氏硬度計，拉伸試驗采用的為WDW-100型微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 前進(jìn)角、刀具轉(zhuǎn)速和焊接速度的影響

試驗前進(jìn)角度選擇0°到5°，以1°為間隔，觀察焊縫的外觀形貌。試驗結(jié)果表明當(dāng)前進(jìn)角為0°時，從肩部的前方產(chǎn)生大量的毛刺。當(dāng)前進(jìn)角為4°或5°時，由于肩部與焊件接觸不充分也會產(chǎn)生大量的毛刺。當(dāng)前進(jìn)角度為1°和3°時，焊縫表面相對光滑，且前進(jìn)角度為3°時，焊縫宏觀形貌最佳。

焊接試驗工具旋轉(zhuǎn)速度分別為535 rpm，830 rpm和3 000 rpm，焊接速度選擇17 mm/min～634 mm/min。當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)速度535 rpm時，接頭表面粗糙度較大，分析認(rèn)為工具旋轉(zhuǎn)速度低時產(chǎn)生的摩擦熱較小，材料沒有充分地軟化，由于肩部的剪切力，焊縫在相對較低的溫度下強(qiáng)烈變形。

試驗結(jié)果表明在工具轉(zhuǎn)速為830 rpm時，可以獲得良好的焊縫宏觀形貌。工具轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，焊接速度為146 mm/min、196 mm/min時可以獲得良好的焊縫宏觀形貌，但是在82 mm/min的焊接速度下，焊縫會產(chǎn)生大量的毛刺。

2.2 接頭橫截面的宏觀結(jié)構(gòu)

當(dāng)板厚在4 mm及以上時，TMAZ和HAZ之間的邊界線從焊件的前表面到后表面線性下降，在后表面附近時，會稍微向攪拌區(qū)中心收縮，形狀為酒杯類型。分析認(rèn)為收縮的主要原因是，在厚板厚約4 mm的情況下，F(xiàn)SW接頭橫截面后表面附近的塑性流動受銷釘旋轉(zhuǎn)的影響更大，而不是受到從肩部的前表面到后表面的力的影響。

本試驗中，在FSW接頭橫截面中觀察到的TMAZ和HAZ之間的邊界線從焊件的前表面到后表面是線性的，如圖2.1所示，并且在焊接構(gòu)件的后表面附近沒有太大的收縮，分析認(rèn)為是試驗中采用的厚度約為2 mm的薄板焊接部件背面附近的塑性流動具有強(qiáng)烈的肩部影響。

時進(jìn)行FSW焊接接頭橫截面低倍光學(xué)顯微鏡照片。圖中的中央部分為攪拌區(qū)域，虛線表示TMAZ和HAZ之間的邊界線，寬度朝著板底部線性變窄，未觀察到洋蔥狀的螺旋形，在攪拌部分的中央從底部到頂部觀察到黑帶狀結(jié)構(gòu)。

圖2.2是工具旋轉(zhuǎn)速度為3 000 rpm、焊接速度為196 mm/min時進(jìn)行FSW焊接接頭的橫截面。攪拌區(qū)域的形狀與圖2.1相同，但是觀察到黑帶結(jié)構(gòu)左右起伏。

2.3 氧化膜對接頭橫截面宏觀結(jié)構(gòu)的影響

焊接之前用1500號砂紙對焊接構(gòu)件的焊接面進(jìn)行拋光，采用與圖2.2相同的工具旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度進(jìn)行對比試驗。試驗結(jié)果表明攪拌部分的中心沒有出現(xiàn)黑帶狀結(jié)構(gòu)。故在攪拌部的中央觀察到的帶狀結(jié)構(gòu)認(rèn)為是在焊接之前存在于焊件表面的氧化膜造成的。

如圖2.1和2.2所示，在板材截面方向攪拌區(qū)的中心觀察到黑帶狀圖案。與板厚為4 mm的6N01Al合金T5FSW材料的接頭截面結(jié)構(gòu)相同。出現(xiàn)這種情況是由于在焊接之前焊接構(gòu)件表面上已經(jīng)存在氧化膜[2]。

試驗中工具旋轉(zhuǎn)速度3000 rpm和焊接速度196 mm/min焊接時，在攪拌區(qū)的中心均出現(xiàn)如圖2.2所示的帶狀圖案。

2.4 刀具旋轉(zhuǎn)螺距對接頭截面攪拌區(qū)形狀和氧化膜分布的影響

岡村等人[3]認(rèn)為，攪拌部分的形狀取決于工具旋轉(zhuǎn)螺距，即每旋轉(zhuǎn)一圈的焊接距離（焊接速度/旋轉(zhuǎn)速度）。當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)螺距為0.3（mm/r）以上時，在焊縫表面的氧化膜以彎曲形狀分布，并且在這種情況下，攪拌部為酒杯型。當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)螺距為0.3（mm/r）以下時，焊縫表面的氧化膜以攪拌部為中心呈圓形分布，這時攪拌部成為洋蔥型。

本試驗旋轉(zhuǎn)螺距約為0.05～0.07（mm/r）。當(dāng)增加旋轉(zhuǎn)螺距時，焊縫表面產(chǎn)生大量毛刺，這是因為肩部與焊件表面之間的摩擦熱增加并且焊件過度軟化。對于板厚為2 mm的薄板，分析認(rèn)為難以像焊接厚板時在旋轉(zhuǎn)螺距大幅度變化的焊接條件下，獲得良好的焊接接頭。而且岡村等人[3]認(rèn)為，氧化膜的形態(tài)（洋蔥形狀或帶狀）與拉伸性能之間無相關(guān)性，并且拉伸性能僅在未焊接的部分處惡化。故盡管本實驗觀察到的氧化膜是帶狀，但因焊接效率很高，約為90%，并且斷裂發(fā)生在攪拌區(qū)之外，因此可以獲得良好的焊接接頭。

3 結(jié)論

（1）前進(jìn)角固定為3°，工具旋轉(zhuǎn)速度830 rpm·196 mm/min、3 000 rpm·196 mm/min時，焊縫表面較為平整。

（2）FSW接頭的攪拌區(qū)形狀與厚板中看到的酒杯類型不同，攪拌區(qū)和TMAZ之間的邊界從接頭的前側(cè)到后側(cè)呈線性。

（3）接觸部件表面附近的肩部旋轉(zhuǎn)和中心處的銷旋轉(zhuǎn)有助于薄FSW中的塑性流動。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪洪峰，左敦穩(wěn)，王珉，等.7022鋁合金攪拌摩擦焊焊接區(qū)的組織與力學(xué)性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38（11）：12-16.

[2]胡尊艷.焊后時效對6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響[D].北京交通大學(xué)，2008.

[3]于海東，谷松偉，谷文，等.7020T6鋁合金攪拌摩擦焊接工藝研究[J].一重技術(shù)，2017，56（02）：62-67.