返修工藝對6005-T6鋁合金型材攪拌摩擦焊接頭性能的影響

徐海濤　李靜　褚雪峰　陳麗麗　秦志恒

摘要：在相同工藝參數下，對6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭進行一次返修，并對其疲勞試件斷口進行SEM掃描與分析。結果表明：返修后焊接接頭的疲勞強度低于未返修焊接接頭，隨著應力的增大，從低應力區到高應力區，兩種接頭疲勞強度差異縮小;由升降法計算得未返修焊接接頭疲勞極限為101.7 MPa，返修接頭疲勞極限為75 MPa。斷口分析表明：一次返修后疲勞試件未發現明顯缺陷，斷裂位置主要集中在母材，啟裂區表面平滑，擴展二次裂紋少，疲勞紋清晰且粗大，終斷區為韌性斷口，可觀察到大量淺韌窩。

關鍵詞：6005-T6鋁合金型材;雙軸肩攪拌摩擦焊;返修接頭;疲勞性能

中圖分類號：TG457.14 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0102-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.19

0 前言

軌道交通列車為保證連接強度和自身減重，車體結構常采用高強鋁合金型材作為輕量化材料[1]。其中6005-T6鋁合金型材作為熱門材料，常應用在車體側墻等結構上[2]。雙軸肩攪拌摩擦焊大量應用于復雜環境下的鋁合金薄板焊接，其焊接過程產生的重復摩擦熱可能在焊接接頭局部產生軟化效應，影響其抗疲勞性能，威脅鋁合金構件的實用性和安全性[3]。因此在焊接生產過程中，若檢測出超過許可范圍的焊接缺陷（如隧道、未焊合等），可以考慮通過返修工藝來消除[4-5]。

本試驗采用雙軸肩攪拌摩擦焊工藝對6005-T6鋁合金焊接接頭進行一次返修處理，并對疲勞斷口進行SEM掃描分析，以確定返修工藝對6005-T6鋁合金型材攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的影響。

1 試驗材料及試驗方法

6005-T6鋁合金型材尺寸為800 mm×500 mm×40 mm，其中40 mm是中空型材整體厚度，材料自身板厚為3 mm。試驗時去除中間筋板，取型材單側板的焊接接頭加工成拉伸及疲勞試件，試驗材料的主要化學成分及力學性能如表1所示。

雙軸肩攪拌摩擦焊工藝參數為：攪拌頭轉速650 r/min，焊接速度400 mm/min。對返修試板進行外觀、滲透、射線和金相檢測，結果均為合格，未發現缺陷。

參照ISO4136-2001標準，在WDW-300kN微控電子萬能試驗機上進行拉伸試驗;參照GB/T13816-92標準，在型號為PLG-100的高頻疲勞試驗機上進行疲勞試驗。循環應力比取R=0.1，指定疲勞壽命取1×107次，靜態負荷和動態負荷精度控制在±1%以內，采用升降法來計算焊接接頭的中值疲勞強度，使用JSM-6360M型掃描電鏡對疲勞試件斷口形貌進行SEM分析。

2 試驗結果及分析

2.1 拉伸試驗結果及分析

一次返修的焊接接頭室溫拉伸試驗結果如表2所示。可見盡管對接試板板厚為3 mm，但接頭區域實際厚度大于3 mm，平均達到約3.5 mm，這是因為攪拌摩擦焊屬于固態相變過程，在較高的摩擦熱輸入下，焊核區存在大量變形的熱塑性金屬，其冷卻成型后體積膨脹，導致焊核區域較母材試板更厚，因此按照焊后接頭體積膨脹后的厚度（大于3 mm）計算抗拉接頭強度。依據ISO15614-2標準，接頭抗拉強度Rm（W）應滿足要求：Rm（W）≥Rm（pm）×T，其中，Rm（pm）為材料母材抗拉強度的最低規定值，T代表焊接接頭強度系數。對于6005-T6鋁合金型材雙攪拌摩擦焊來說，T=0.7，依據表1可知，Rm（pm）=250 MPa，返修接頭Rm（W）/Rm（pm）=0.79，未返修接頭Rm（W）/Rm（pm）=0.84，兩種接頭強度系數均大于0.7，符合標準要求。返修接頭平均屈服強度為170.25 MPa，未返修接頭為179.75 MPa，返修后焊接接頭抗拉強度和屈服強度均略微降低，說明返修工藝會對雙軸肩攪拌摩擦焊接頭強度造成一定損失。

所有拉伸試件多斷于熱影響區，這是由于6005-T6屬于可熱處理強化鋁合金，盡管返修接頭無缺陷，但軸肩與工件表面劇烈摩擦，多次熱循環作用破壞了人工時效平衡后的強化態組織，使接頭韌性下降，導致熱影響區存在軟化現象，成為接頭損傷敏感度較高的薄弱環節。

2.2 疲勞試驗結果及分析

通過升降法確定雙軸肩攪拌摩擦焊6005-T6鋁合金返修接頭指定壽命為1×107次下的疲勞極限升降圖如圖1所示。

通過以上的數據分析，對比6005-T6鋁合金型材返修試件脈動拉伸疲勞的中值S-N曲線，如圖2所示。

由圖2可知，指定循環壽命為1×107次時，返修焊接接頭中值疲勞極限強度σ0.1為75 MPa，未返修焊接接頭中值疲勞強度為101.7 MPa。返修接頭疲勞強度明顯低于未返修接頭，其原因在于雙軸肩攪拌摩擦焊接頭返修是在原有焊縫上進行的，二次熱循環作用降低了接頭的整體疲勞強度性能。兩種接頭疲勞試件斷裂位置均位于母材，焊接接頭未表現出對疲勞裂紋的敏感性。

2.2.3 疲勞斷口掃描分析

JSM-6360LV型掃描電鏡SEM結果如圖3所示，觀察發現返修后接頭的疲勞斷口形貌與未返修試件相似。掃描圖像顯示：宏觀放大啟裂區（見圖3a、3b）和擴展區（見圖3c）的疲勞裂紋源多位于試件側邊緣位置（大多數母材區和少量熱影響區），位于焊核區的疲勞裂紋較少;疲勞瞬斷斷口表面平整，為脆性斷裂，具有典型的疲勞斷裂特征;疲勞紋展開后細小密集，隨循環次數增加而擴展延伸;終斷區（見圖3d）斷口呈韌窩型纖維狀，為典型韌性斷口。

3 結論

（1）6005-T6鋁合金型材返修焊接接頭強度系數為0.79，未返修焊接接頭強度系數為0.84，返修接頭平均強度達到196.75 MPa，二次熱循環使焊接接頭熱影響區存在軟化現象。

（2）指定壽命為1×107次的返修接頭的中值疲勞極限強度σ0.1為75 MPa，未返修接頭的中值疲勞極限強度σ0.1為101.7 MPa，返修接頭疲勞極限降低較大，返修工藝對焊接接頭疲勞強度影響較明顯。

（3）6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊返修接頭疲勞試件多斷于母材區域，返修后的焊接接頭焊核區未表現出對疲勞裂紋的敏感性。

參考文獻：

[1] 侯振國，鈕旭晶，李充，等. 攪拌摩擦焊技術在高速列車制造中的應用[J]. 電焊機，2018，48（3）：32-36.

[2] 吳海旭，楊麗，王周兵，等. 我國軌道交通車輛用鋁型材發展現狀[J]. 輕合金加工技術，2014，42（1）：18-20.

[3] 耿濤，許鴻吉，宗桓旭，等. 不同返修次數對6082-T6鋁合金對接接頭疲勞性能的影響[J]. 電焊機，2017，47（8）：84-86.

[4] 劉鑫，杜會橋，姜坤. 返修焊對5B70鋁合金焊接接頭組織和性能的影響[J]. 焊接技術，2016，45（12）：32-35.

[5] 余仁忠，劉雄，丁杰，等. 動車組鋁合金柜體裙邊安裝座返修焊接工藝研究[J]. 機械工程師，2016（12）：255-257.