鋁合金車體雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織及力學性能研究

陳寧凱，王威威，付寧寧，金文濤

中車南京浦鎮車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 序言

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國焊接研究所（TWI）發明的一種新型固相連接技術，與傳統熔化焊相比，攪拌摩擦焊接頭部位不存在金屬熔化，這可以有效地避免熔焊過程中形成的氣孔、裂紋等焊接缺陷。同時攪拌摩擦焊具有自動化、智能化優勢，因此攪拌摩擦焊在軌道交通鋁合金車體制造中得到了越來越廣泛的應用[1]。雙軸肩攪拌摩擦焊是一種新型的攪拌摩擦焊方法，采用具有上下軸肩的自支撐攪拌工具，兩個軸肩通過與被焊結構厚度相當的攪拌針連接，通過焊接過程中上下軸肩與攪拌針共同旋轉并與被焊材料相互作用實現焊接。由于雙軸肩攪拌摩擦焊軸向力較小，且不需要剛性墊板，因此非常適合自動化焊接，大大提高了攪拌摩擦焊的適應性和焊接效率。雙軸肩攪拌摩擦焊是一種全焊透焊接，可以同時對工件的上下表面進行焊接，因而，從根本上消除了未焊透或根部缺陷等問題[2，3]。本文主要研究不同工藝參數對接頭成形、微觀組織及力學性能的影響規律，為雙軸肩攪拌摩擦焊焊接參數制定、質量控制提供數據支撐，以促進攪拌摩擦焊工程化應用。

圖1 雙軸肩攪拌摩擦焊原理示意

2 試驗方法

2.1 試驗材料及攪拌頭

試驗材料為6005A-T6鋁合金中空型材，壁厚為5mm，其化學成分見表1?？估瓘姸葹?55MPa，伸長率為8%。采用航天工程裝備（蘇州）有限公司生產的二維攪拌摩擦焊設備以及自主研制的攪拌工具，沿型材軋制方向進行焊接，攪拌工具上下軸肩直徑均為18mm，攪拌針直徑8mm，針長4.8mm，如圖2所示。

表1 6005A-T6鋁合金化學成分（質量分數）（%）

圖2 攪拌頭結構

2.2 試驗參數及方法

為了研究焊接參數對焊縫成形質量和接頭力學性能的影響，選取了4組優化的焊接參數。選取原則為在保證焊接質量的同時盡量提高焊接效率，具體的焊接參數見表2。

表2 攪拌摩擦焊焊接參數

3 試驗結果與討論

3.1 焊縫表面成形

4種參數均得到了表面成形良好的焊縫，如圖3所示。由圖3可知，所有接頭都形成了均勻分布的魚鱗紋，魚鱗紋的間距與焊接參數有關，代表攪拌頭旋轉一周前進的距離。隨著焊接速度的增加，魚鱗紋距離增加。隨著焊接速度的增加，由于降低了焊接熱輸入，因此飛邊也有所減少。

圖3 不同參數下焊縫表面成形

3.2 宏觀金相

由圖4可知，雙軸肩攪拌摩擦焊接頭橫截面宏觀形貌呈“啞鈴形”，由熱影響區（HAZ）、熱機影響區（TMAZ）和焊核區（WNZ）組成。組織形貌在厚度方向上呈現出對稱性，而沿寬度方向，前進側（AS）和后退側（RS）的組織形貌有明顯差異。前進側熱機影響區和焊核區的分界線較為尖銳，后退側該分界線則更為圓滑，這是由于塑化金屬隨攪拌針從前進側向后退側遷移，導致后退側鋁合金受到擠壓，界面變得圓滑。前進側熱影響區、熱機影響區和焊核區之間有明顯的分界線，焊核區在靠近前進側可見三角條帶區，這是由于前進側塑性材料處于紊流狀態，因攪拌針、上軸肩和下軸肩驅動的塑性金屬在該處匯聚而引起的，該區域也是容易產生隧道及孔洞缺陷的位置。所有接頭的焊核區均可觀察到S線，這是對接面的氧化物在攪拌針攪拌作用下殘留于焊核中形成的[4]。

圖4 不同參數下接頭橫截面宏觀形貌

3.3 顯微組織

2#接頭不同區域的組織如圖5所示，母材呈現出典型的擠壓型材組織，無明顯的第二相析出。焊核區組織呈等軸狀，晶粒非常細小，這是因為焊核區受到攪拌針強烈的攪拌作用，同時受到焊接熱循環的作用，使得該區域發生強烈的動態再結晶，所以形成細小、均勻的等軸晶組織；同時，焊核區也有少量的第二相析出，均勻分布在基體中；熱機影響區組織發生明顯的變形，與熱影響區有較為明顯的分界線，其中前進側熱機影響區的晶粒變形相比后退側熱機影響區的晶粒明顯。熱影響區組織與母材相似，但由于受到焊接熱循環的作用，其晶粒尺寸明顯大于母材的晶粒；熱影響區內部由于受熱不均勻，因此晶粒大小也有明顯的差異；熱影響區中還可觀察到大量均勻分布的第二相；前進側熱影響區晶粒比后退側大，這是由于前進側溫度高于后退側，因此晶粒長大現象明顯[5]。

圖5 2#接頭不同區域的組織

3.4 抗拉強度

不同焊接速度下接頭的抗拉強度如圖6所示。由圖6可看出，固定旋轉速度為800r/min，隨著焊接速度提高，接頭抗拉強度先增大后減小，當焊接速度為700mm/min時，抗拉強度達到最大值236MPa，所有參數下接頭拉伸斷裂位置均位于熱影響區。

圖6 不同焊接速度下接頭的抗拉強度

圖7 2#接頭拉伸斷口SEM照片

2#接頭拉伸斷口SEM照片如圖7所示。2#接頭斷裂發生于熱影響區，整個斷面均呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。由于焊縫組織在攪拌頭軸肩和攪拌針的攪拌、碾壓作用下，晶粒破碎、細化，形成組織致密的等軸晶，接頭的均勻性和一致性很好，即使對于熱影響區和熱機影響區來說，其組織的致密性、均勻性及一致性也很好。因此，在拉應力作用下，接頭斷口易于形成均勻的等軸韌窩形貌。韌窩的大小較為均勻，表明接頭韌性較好，強化相分布均勻，這與圖5所示的微觀組織特征一致。

3.5 彎曲性能

4種參數下的焊接接頭均具有良好的彎曲性能，正彎、背彎180°均未出現裂紋，如圖8所示。

圖8 彎曲性能

4 結束語

1）在800r/min低轉速下，焊接速度從600mm/min增加到900mm/min，接頭成形均良好，無溝槽等表面缺陷，也無隧道、孔洞等內部缺陷；接頭呈“啞鈴形”，由熱影響區、熱機影響區和焊核區組成，焊縫在寬度及厚度方向均呈對稱性。

2）當固定旋轉速度為800r/min時，隨著焊接速度的提高，接頭抗拉強度先增大后減小，當焊接速度達到700mm/min時，抗拉強度達到最大值236MPa。

3）接頭斷裂發生于熱影響區，整個斷面均呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。

4）雙軸肩攪拌摩擦焊接頭具有良好的彎曲性能，4種參數下接頭的正彎、背彎180°試驗，均未出現裂紋。