組對間隙對鋁合金焊縫組織及力學性能的影響

康 銘 ，田春雨，李 巖，林相遠，楊振東

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6系鋁合金是Al-Mg-Si系可熱處理強化鋁合金，具有良好的塑性和耐腐蝕性，廣泛應用于航天航空、核工業、軌道交通等領域[1-3]。其中，6005A鋁合金具有中等強度、擠壓性好、耐蝕性良好等特點，成為軌道客車車體首選的鋁合金材料[4-6]。攪拌摩擦焊(FSW)技術作為一種固相連接方法，其接頭性能優于傳統熔化焊接頭性能，且具有無熱裂紋、較小的變形及殘余應力等特點[7-9]。在實際生產焊接過程中，焊接的板材或者型材加工時會有一定的誤差，導致焊接材料在組對時焊縫處有一定的間隙。本試驗研究不同間隙量對3 mm厚鋁合金板材對接頭焊接組織及力學性能的影響，找出組對間隙的極限值，為實際生產焊縫組對間隙提供理論依據。

1 試驗材料與方法

焊接試板采用6005A-T6鋁合金擠壓板材，板材尺寸規格為150 mm×300 mm×3 mm，化學成分見表1，抗拉強度Rm為292 MPa，斷后延伸率A為10%。

表1 6005A-T6板材化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 6005A-T6 sheet (mass fraction，%)

試驗設備采用HT-JM16×30/2二維龍門攪拌摩擦焊機，選用帶螺紋的錐形攪拌頭，攪拌頭軸肩直徑φ12 mm，攪拌針根部直徑φ4 mm，針長2.75 mm。焊接形式為對接，焊接方向平行于擠壓方向，采用機械方法清理表面氧化膜及油污。采用相同的焊接工藝參數(見表2)，對3 mm厚6005A-T6板材對接接頭進行不同間隙量焊接，間隙量的大小見表3。垂直于焊接方向截取金相試樣，經砂紙打磨和機械拋光后，用10%NaOH水溶液試劑腐蝕。使用蔡司光學顯微鏡觀察接頭組織形貌。按照GB/T 2651—2008標準要求使用島津AG-X100KNH型電子萬能試驗機對母材和焊接試樣進行拉伸試驗，每組測試3個試樣，取其平均值作為試驗結果。

表2 焊接工藝參數Table 2 Process parameters for welding

表3 間隙量Table 3 Clearance

2 試驗結果及分析

2.1 表面成型

圖1是不同組對間隙下焊縫的宏觀表面形貌，可以看出焊縫表面成形良好，隨著焊縫間隙的增加，焊接飛邊逐漸減少。

(a)1#；(b) 2#；(c) 3#；(d) 4#；(e) 5#；(f) 6#；(g) 7#；(h)8#；(i) 9#圖1 焊縫外觀形貌Fig.1 Appearance of weld

2.2 拉伸性能

依據標準ISO 4136焊接接頭拉伸試驗方法，在焊接試板上截取力學拉伸試樣進行橫向拉伸試驗，試驗結果見表4。從表4中可以看出，在相同的焊接工藝下，不同組對間隙量對焊縫的力學性能影響很大。焊縫沒有間隙時，焊縫的力學性能最高，能達到母材力學性能的77.03%。當焊縫間隙量分別為0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mm時，焊縫的力學性能分別為母材力學性能的75.499%、71.803%、74.762%、74.526%和72.718%，力學性能下降不明顯，均可達到母材力學性能的70%以上。當焊縫間隙量為0.6、0.7和0.8 mm時，焊縫的力學性能分別為母材力學性能的53.411%、51.411%和50.348%，力學性能下降較大。

表4 抗拉強度Table 4 Tensile strength

間隙量與焊后抗拉強度的關系見圖2。從圖2可以看出，當間隙量大于0.5 mm時，焊縫的力學性能迅速降低。因此，3 mm厚6005A-T6板材對接接頭進行攪拌摩擦焊時間隙量應控制在0.5 mm以內。

圖2 抗拉強度變化曲線Fig.2 Change curve of tensile strength

圖3為不同間隙量的拉伸斷裂試樣的斷裂位置，其中只有間隙量為0和0.1mm時，拉伸試樣的斷裂位置在熱機影響區處；間隙量超過0.1 mm時，焊縫拉伸試樣的斷裂位置均在焊縫中心處。

(a)1#；(b) 2#；(c) 3#；(d) 4#；(e) 5#；(f) 6#；(g) 7#；(h)8#；(i) 9#圖3 拉伸斷裂試樣的斷裂位置Fig.3 Fracture position of tensile fracture specimen

2.3 彎曲性能

根據GB/5173標準要求對相同焊接參數下不同間隙量進行背部彎曲試驗，彎曲直徑為28 mm，彎曲角度為150°，結果如表5和圖4所示。從圖4中可以看出，間隙量為0～0.5 mm時背彎均無裂紋；間隙量為0.6～0.8 mm時背彎均出現大小不一的裂紋，間隙量越大裂紋越大。

圖4 背部彎曲試樣Fig.4 Back bending specimen

表5 彎曲性能結果Table 5 Bending performance results

2.4 接頭宏觀組織

不同焊縫間隙量下焊縫的宏觀金相組織如圖5所示。從圖5中可以看出，焊縫間隙量為0～0.2 mm時，焊縫組織致密，沒有缺陷；當間隙量大于0.3 mm時，焊縫前進側熱機影響區處出現孔洞，隨著間隙量的增加孔洞缺陷逐漸變大；間隙量達到0.6～0.8 mm時，孔洞缺陷直徑可以達到350～800 μm，這也是焊接力學性能迅速下降的原因。

(a)1#；(b) 2#；(c) 3#；(d) 4#；(e) 5#；(f) 6#；(g) 7#；(h)8#；(i) 9#圖5 宏觀組織Fig.5 Macrostructure

3 結論

1)6005A-T6鋁合金采用相同的焊接參數進行焊接，當間隙量為0～0.5 mm，隨著間隙量的增加焊縫力學性能呈現下降趨勢，但下降趨勢不明顯，均在母材力學性能的70%以上；當間隙量為0.6～0.8 mm時，焊縫的力學性能迅速下降，僅為母材力學性能的50%。

2)隨著間隙量的增大，焊縫中的孔洞缺陷逐漸變大，當間隙量大于0.5 mm時，孔洞缺陷的直徑達到350～800 μm。

3)對3mm厚6005A-T6鋁合金對接接頭進行攪拌摩擦焊焊接生產時，建議焊接間隙量控制在0.5 mm以內。