6082鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能

汪長(zhǎng)松，李盛良，王鵬

1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽淮南232000 2.新能源汽車輕量化技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽蕪湖 241003

近年來(lái)，鋁合金作為一種輕質(zhì)合金，廣泛應(yīng)用于汽車和航天等領(lǐng)域。6082 鋁合金屬于 A1-Mg-Si 系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好的塑韌性、耐腐蝕性以及擠壓性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、航海以及軌道車輛等領(lǐng)域被廣泛使用[1-2]。6082鋁合金的傳統(tǒng)焊接存在變形大、且容易產(chǎn)生焊縫氣孔，對(duì)焊接質(zhì)量有一定的影響[3]。近年來(lái)，攪拌摩擦焊被大量應(yīng)用于鋁合金焊接，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都在研究攪拌摩擦焊接，并都取得了相應(yīng)的成果。張克梁等[4]研究了不同的焊接速度對(duì)5 mm厚6082-T6鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦焊接，結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度隨著焊接速度的增大先增大后減小，當(dāng)焊接速度為200 mm/min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值236 MPa，為母材的74.0%，斷后伸長(zhǎng)率為6.3%。ABBASI等人[5]的研究發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊(FSW)、激光束焊(LBW)和鎢極惰性氣體(TIG)焊接接頭具有更好的強(qiáng)度。陳曉霞等[6]的研究發(fā)現(xiàn)焊接速度200 mm/min焊接參數(shù)的BT-FSW焊縫具有良好的力學(xué)性能和合格的金相組織，抗拉強(qiáng)度為198.48MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的77.8%。丁清苗等[7]研究對(duì)于7075和2024異種鋁合金的攪拌摩擦焊接，在焊接過(guò)程中的形變量隨著焊接速度的增大而逐漸減小，其焊接速度應(yīng)為1.8 mm/s左右為宜。張欣盟等[8]研究了高焊接速度2000mm/min下6mm厚6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明，在高焊接速度下，鋁合金接頭成形良好，焊核內(nèi)部沒有缺陷。

為了研究6082鋁合金焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，現(xiàn)采用攪拌摩擦焊對(duì)3mm厚的6082鋁合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料采用3mm厚的6082鋁合金板材，其規(guī)格為300mm×150mm×3mm（長(zhǎng)度×寬度×厚度），搭配高旋轉(zhuǎn)速度2400r/min，焊接速度1000mm/min，焊接偏移角度2.5°，壓力10kN。其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度為320M Pa，伸長(zhǎng)率A=20.8%；6082鋁合金的化學(xué)成分見表1。

表1 6082鋁合金母材化學(xué)成分 （%）

焊前用酒精擦拭試件，然后采用專門夾具進(jìn)行試件固定，攪拌頭以旋轉(zhuǎn)速度2400r/min進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后以1000mm/min焊接速度沿試件的結(jié)合線方向行走。焊后用慢走絲線切割機(jī)在焊板上沿焊縫橫向制取拉伸試樣和金相試樣。在XBD-4304型微機(jī)電子控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；在宏觀金相顯微鏡下觀察接頭顯微組織；在HVS-1000型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量其力學(xué)性能。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.抗拉強(qiáng)度分析

將切割后的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸，其抗拉強(qiáng)度和焊接系數(shù)見表2。

表2 不同焊接速度的力學(xué)性能

從表2中可以看出每個(gè)焊接速度進(jìn)行三組試驗(yàn)，防止試驗(yàn)結(jié)果的偶然性。在焊接速度為800mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度均低于230MPa，焊接系數(shù)最大為72.5%，而焊接速度為1000mm/min時(shí)，其抗拉強(qiáng)度最好，為235MPa以上。這三個(gè)焊接速度進(jìn)行攪拌摩擦焊對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力變化如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 焊接速度800mm/min拉伸曲線

圖2 焊接速度1000mm/min拉伸曲線

圖3 焊接速度1200mm/min拉伸曲線

從圖1可以看出應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)龃蠖龃螅畲髴?yīng)力接近240MPa，鋁合金在拉伸過(guò)程中發(fā)生的應(yīng)變超過(guò)14%。

從圖2可以看出應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)龃蠖龃螅瑧?yīng)變?yōu)?%～14%時(shí)，應(yīng)變發(fā)生變形最大，且應(yīng)力比焊接速度為800mm/min的應(yīng)力更加接近240MPa，其應(yīng)變最大超過(guò)了14% 。

從圖3可以看出應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)龃蠖龃螅畲髴?yīng)變?yōu)?0.5%～12%，低于焊接速度800mm/min和1000mm/min的應(yīng)變。其最大應(yīng)力在230MPa左右。

2.宏觀顯微鏡分析

為了更精準(zhǔn)的測(cè)量攪拌摩擦焊的熔寬，采用宏觀顯微鏡測(cè)量其表面熔寬，見表3。

表3 宏觀顯微鏡下結(jié)果對(duì)比

從表3可以看出熔寬的變化與焊接速度有關(guān)，焊接速度在800～1000mm/min時(shí)，熔寬隨著焊接速度的增加而降低，在焊接速度在1000～1200mm/min時(shí)，熔寬隨著焊接速度的增加而增加。所以焊接速度在1000mm/min時(shí)，熔寬最小，且比較清晰美觀，無(wú)焊縫缺陷。

3.微觀顯微鏡分析

采用線切割進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)取樣，然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本的焊縫接頭進(jìn)行拋光打磨，使其表面足夠光滑透明，然后用10%的NaOH溶液進(jìn)行腐蝕，如圖4所示是FSW接頭各區(qū)域的微觀組織。

圖4 FSW接頭各區(qū)域的微觀組織

從圖4可以看出母材經(jīng)過(guò)打磨腐蝕表面有粗細(xì)不勻的顆粒孔，而焊核區(qū)經(jīng)過(guò)腐蝕表面后粒孔極少，說(shuō)明鋁合金經(jīng)過(guò)攪拌摩擦焊之后，其接頭的力學(xué)性能得到了提高，且焊縫與接頭無(wú)裂紋和未熔合等焊接缺陷。

4.硬度分析

測(cè)量硬度時(shí)，每個(gè)焊接速度的硬度測(cè)量三次，然后取平均值，如圖5和圖6所示，對(duì)應(yīng)著非焊核區(qū)和焊核區(qū)的硬度。

圖5 不同焊接速度的非焊核區(qū)硬度

圖6 不同焊接速度的焊核區(qū)硬度

從圖5中可以看出，在非焊核區(qū)，焊接速度與硬度成正比例關(guān)系，隨著焊接速度的增大，硬度也隨著增大，最大硬度處焊接速度為1200mm/min，為85HB左右。

從圖6中可以看出，在焊核區(qū)，焊接速度與硬度成反比例關(guān)系，隨著焊接速度的增大，硬度也隨著增大，最大硬度處焊接速度為800mm/min，接近100HB左右。其最大硬度值比非焊核區(qū)大，說(shuō)明焊接速度可以增加母材的硬度，可以提高母材的力學(xué)性能。

結(jié)語(yǔ)

（1）焊接速度為1000mm/min時(shí)，其抗拉強(qiáng)度最好，為235MPa以上，焊接系數(shù)達(dá)75%以上。

（2）焊接速度在1000mm/min時(shí)，熔寬最小，且比較清晰美觀，無(wú)焊縫缺陷。

（3）通過(guò)微觀顯微鏡檢測(cè)觀察，6082鋁合金經(jīng)過(guò)攪拌摩擦焊焊接后，其接頭的力學(xué)性能進(jìn)一步提高。

（4）在焊核區(qū)，硬度隨著焊接速度增大而減小；在非焊核區(qū)，硬度隨著焊接速度增大而增大，且焊接速度可以增加母材的硬度，可以提高母材的力學(xué)性能。