20mm厚6082-T6鋁合金牽引梁高速攪拌摩擦焊工藝研究

鄧清洪

湖南煌星華科技有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

近年來，我國軌道交通行業快速發展，城市地鐵需求量不斷上升。為達到輕量化的目的，車體材料大部分采用鋁合金制造，少數為不銹鋼制造[1]。鋁合金材料常見的焊接方法為熔化焊，如MIG、TIG等，但熔化焊方法焊接鋁合金存在焊后接頭熱影響區強度大幅降低，容易產生氣孔、夾雜、熱裂紋等缺陷，以及生產成本高、勞動環境差等問題。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英國焊接研究所于1991年針對低熔點金屬發明的一項新型固相焊接方法。該焊接方法是在傳統摩擦焊基礎上發明的第三體摩擦焊技術，其具有一系列技術優勢，如：可避免熔化焊的缺陷、焊接接頭力學性能好、焊接變形小、過程綠色環保、勞動條件好、成本低和生產效率高等[2，3]。該技術在長直型材拼接、水冷密封、鑄鋁焊接、異種金屬焊接和厚板焊接等領域具有更加顯著的優勢。城市列車牽引梁位于車體底架部位，是車廂之間連接的重要承載結構件，也是車體最關鍵的焊接零部件。常規采用MIG焊時，存在焊接效率低，易產生氣孔、熱裂紋等缺陷，以及人工和無損檢測成本高昂等現實問題。

目前，國內外學者針對牽引梁等厚板展開了一系列的研究和工程化應用工作。如：何廣忠等[4]成功實現了35mm鋁合金厚板單面一次成形的攪拌摩擦焊焊接，并在動車組車體制造中進行了首次應用并實現批量生產；孫景朋[5]研究了攪拌摩擦焊技術在高速動車組鋁合金車鉤座上的應用及性能測試，完善了攪拌摩擦焊的質量標準及檢驗方法；吳志明[6]采用熔化極惰性氣體保護焊和攪拌摩擦焊不同工藝所對應的城軌車輛枕梁以及車鉤板的接頭設計，并對這兩種焊接工藝及其對應接頭的力學性能作了對比研究；鄧清洪[7]對板厚為42mm的6082-T6鋁合金車鉤座型材進行了雙面攪拌摩擦焊工藝研究，結果表明：在轉速為600r/min，焊接速度為120mm/min的焊接參數下，獲得了表面成形美觀、無缺陷的雙面攪拌摩擦接頭，接頭的抗拉強度達239MPa。宮文彪等[8]采用攪拌摩擦焊對84mm厚的6082-T4鋁合金進行雙面對接焊接，并研究了沿板厚方向焊接接頭的微觀組織與力學性能變化。綜上所述，采用攪拌摩擦焊焊接牽引梁是最為理想的焊接方法[9，10]。

本文以城軌車牽引梁中間主焊縫20mm厚6082-T6鋁合金為研究對象，以探索鋁合金厚板高速攪拌摩擦焊工藝為方向，以提高焊接效率和接頭力學性能為目的，為進一步促進結構輕量化和工程化應用提供技術支撐。

2 試驗材料與方法

試驗用材料為20mm厚的6082-T6鋁合金板材，具體尺寸為500mm×200mm×20mm，其化學成分和力學性能分別見表1、表2。

表1 6082-T6鋁合金化學成分（質量分數） （%）

表2 6082-T6鋁合金母材實測力學性能

攪拌摩擦焊所使用的設備為湖南煌星華科技有限公司龍門式二維攪拌摩擦焊生產型設備，鋁合金單面焊接厚度為3～25mm。焊接所使用的刀柄和攪拌頭均采用厚板高速焊專制研發的工具。攪拌頭結構采用軸肩與攪拌針分體式設置，軸肩特征為圓錐內凹特征，軸肩尺寸為φ28mm，攪拌針特征為圓錐“螺紋+三切面”特征，針長為11～16mm，且連續可調。

本試驗采用控制變量法研究焊接參數對接頭組織及力學性能的影響，試驗所采用的焊接參數見表3。

表3 試驗所采用的焊接參數

攪拌摩擦焊接完成后對試件進行PT、RT無損檢測，結果零缺陷，均為合格。然后制取金相試樣、拉伸試樣和彎曲試樣，取樣標準參照ISO 25239：2011《攪拌摩擦焊－鋁合金》。金相試樣制備所使用的腐蝕液為濃度10%的氫氧化鈉溶液。拉伸和彎曲性能測試在Instron-5900拉伸試驗機上進行，拉伸應變速率為1×10-3s-1。采用日立公司生產的HITACHI-S4800掃描電子顯微鏡對拉伸試樣斷裂表面形貌進行觀察。

3 試驗結果及分析

3.1 宏觀形貌特征

20mm厚6082-T6鋁合金雙面焊焊縫表面宏觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出，焊縫成形美觀，焊縫表面光亮，除了起焊位置攪拌針下壓擠出的飛邊外，焊縫其余部分無飛邊，焊縫表面紋路均勻，無過熱毛刺與表面焊接缺陷。

圖1 焊縫表面宏觀形貌

20mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭焊縫橫截面宏觀金相如圖2所示。由圖2可以看出，3組參數焊縫橫截面宏觀金相整體形貌無明顯區別，無宏觀缺陷，焊縫表面基本無減薄。焊核區（Nugget Zone，NZ）整體形貌呈現“啞鈴形”特征，正反面焊縫存在一定厚度的重疊區，并且在NZ區無“S”線殘留。

圖2 焊縫橫截面宏觀金相

3.2 顯微硬度分布

20mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭顯微硬度沿焊縫橫截面上部、中部和下部的分布曲線如圖3所示。整體看，沿焊縫橫截面方向顯微硬度曲線分布形態呈“W”形特征，上部、中部、下部三條分布曲線的變化規律基本相同，并且硬度分布存在明顯的性能梯度。接頭熱影響區（Heat Affected Zone，HAZ）為接頭硬度最低區域，此區域為接頭力學性能最薄弱的區域。由于前進側材料受到攪拌頭更加劇烈的熱-力影響，所以前進側整體硬度水平相比后退側略低。在焊縫熱影響區前進側和后退側均有不同程度的軟化，接頭存在兩個硬度軟化區，分別是位于前進側的熱機影響區（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和HAZ。由于回復再結晶形成了均勻細小的等軸晶，NZ硬度水平相比TMAZ和HAZ整體更高。橫截面中部區域由于只受到攪拌針的熱力影響作用，整體硬度水平相對上部和下部高些，同時硬度軟化區域范圍相對更窄。

圖3 焊縫橫截面顯微硬度分布曲線

3.3 拉伸及彎曲力學性能分析

20mm厚6082A-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭拉伸力學性能結果如圖4所示。由圖4可知，隨著焊接速度的增加（焊接熱輸入逐漸降低），接頭的抗拉強度呈逐漸上升的趨勢，在轉速-焊接速度組合分別為600r/min-450mm/min、600r/min-550 mm/min、600r/min-650mm/min的焊接參數下，接頭的抗拉強度分別為238.0MPa、246.0MPa、256.5MPa，達到母材強度值的74.3%、76.9%、80.5%。如圖5所示，接頭拉伸斷裂位置均發生在前進側HAZ。對接頭拉伸斷裂表面進行掃描電鏡（SEM）分析，斷裂表面由大量的韌窩聚集組成，為典型韌性斷裂特征，如6所示。

圖4 接頭拉伸力學性能

圖5 拉伸斷裂位置

圖6 拉伸斷裂表面SEM照片

根據上述拉伸力學性能結果可以看出，突破傳統厚板攪拌摩擦焊工藝，高速焊接可以降低焊接熱輸入，從而降低接頭HAZ過時效程度和HAZ寬度，最終提高接頭的抗拉強度，為結構進一步輕量化提供更大的設計空間。該結論在孟騰逸等[9]研究成果中也等到了相應的證實。

20mm厚6082-T6鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭側彎后試件宏觀形貌如圖7所示。由圖7可看出，所有接頭彎曲到180°不發生斷裂，彎曲結果滿足ISO 25239：2011標準要求。

圖7 側彎后試件宏觀形貌

4 結束語

1）成功制定了20mm厚6082-T6鋁合金牽引梁的高速攪拌摩擦焊工藝，最大焊接速度可達650mm/min，相比常規焊接工藝，焊接速度提高了3倍多。

2）保持轉速一定，隨著焊接速度的增加，接頭的抗拉強度呈逐漸上升的趨勢。

3）在轉速-焊接速度組合分別為600r/min-450mm/min、600r/min-550mm/min、600r/min-650mm/min的焊接參數下，接頭的抗拉強度分別為238.0MPa、246.0MPa、256.5MPa，達到母材強度值的74.3%、76.9%、80.5%。

4）接頭彎曲到180°，不發生斷裂。