張欣盟， 李晶， 王貝貝， 倪丁瑞， 薛鵬， 馬宗義

(1.中國(guó)中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，長(zhǎng)春 130062；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

0 前言

6082鋁合金屬于6xxx系(Al-Mg-Si)可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的強(qiáng)度、耐腐蝕性和斷裂韌性，是目前鋁合金列車(chē)車(chē)體應(yīng)用量最大的鋁合金。焊接是鋁合金車(chē)體制造過(guò)程中不可或缺的工藝，然而使用熔化焊進(jìn)行鋁合金焊接時(shí)常出現(xiàn)氣孔、熱裂紋等焊接缺陷[1]。作為一種固相焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)具有優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金的焊接中得到了廣泛應(yīng)用，目前正逐步取代熔焊工藝成為鋁合金列車(chē)車(chē)體制造過(guò)程中的首選焊接工藝[2-3]。

對(duì)于鋁合金的FSW來(lái)說(shuō)，影響其接頭性能的主要因素為決定熱輸入量的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度。有研究表明，選用低熱輸入?yún)?shù)并通過(guò)輔助強(qiáng)制冷卻方式可大大提高鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能，然而工藝復(fù)雜，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)[4]。對(duì)于6xxx系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，Liu等人[5]的研究表明，轉(zhuǎn)速只改變熱影響區(qū)位置，對(duì)FSW接頭的拉伸性能影響不明顯，而焊接速度則直接影響接頭的拉伸性能，隨著焊接速度的增加接頭的拉伸強(qiáng)度不斷提高，在此基礎(chǔ)上，提出了等溫溶解層模型，合理解釋了這一現(xiàn)象。6xxx系鋁合金FSW接頭性能隨焊接速度增加而升高的結(jié)論也被許多研究所證實(shí)[6-10]。

實(shí)際列車(chē)車(chē)體生產(chǎn)中，提高焊接速度有助于提高生產(chǎn)效率，也一直是焊接制造領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。然而，目前對(duì)于6xxx系鋁合金FSW所報(bào)道的結(jié)果，大多數(shù)采用較低的焊接速度(<1 000 mm/min)。文中將在2 000 mm/min的高焊接速度下對(duì)6082-T6鋁合金進(jìn)行FSW，并對(duì)接頭微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行表征分析。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的材料為6 mm厚的軋制6082-T6鋁合金板材，抗拉強(qiáng)度為310 MPa，化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接試板尺寸為1 000 mm×150 mm。焊前采用機(jī)械打磨的方法去除試板表面氧化層，然后采用無(wú)水乙醇清洗試板表面油污。將清理好的試板用夾具固定后進(jìn)行FSW。所用焊接工具軸肩直徑為20 mm，攪拌針為錐形螺紋針，根部直徑為8 mm，針長(zhǎng)5.7 mm。FSW過(guò)程中采用的旋轉(zhuǎn)速度為2 000 r/min，焊接速度為2 000 mm/min。作為對(duì)比研究，同時(shí)采用了旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min，焊接速度為200 mm/min的參數(shù)進(jìn)行FSW。

表1 6082-T6鋁合金母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行X射線探傷，然后用電火花加工方法垂直于焊縫方向制作組織觀察樣品。經(jīng)過(guò)400～2 000號(hào)砂紙機(jī)械磨光及機(jī)械拋光后，進(jìn)行電解拋光，拋光液為10%的高氯酸酒精溶液，電壓為10 V，溫度為-25 ℃。在FEI Nano SEM 430 掃描電鏡上用ECC模式進(jìn)行組織觀察。

采用Leco-LM-247AT型顯微硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭橫截面顯微硬度分布曲線，沿焊縫中心線每隔1 mm打點(diǎn)，測(cè)試載荷為500 g，保壓時(shí)間13 s。采用電火花加工方法垂直于焊縫方向切取拉伸試樣，試樣總長(zhǎng)度為150 mm，標(biāo)距段部分長(zhǎng)50 mm，寬10 mm，厚度6 mm。拉伸樣品的取樣方式及尺寸如圖1所示。采用SANS-CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以1×10-3s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

圖1 拉伸樣品取樣示意圖及樣品尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 接頭組織

一般的，若FSW焊接參數(shù)選取不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重飛邊、孔洞、溝槽、未焊透等缺陷。試驗(yàn)中雖然采用了高焊接速度2 000 mm/min，仍然成功實(shí)現(xiàn)了6082-T6鋁合金的FSW，且外觀質(zhì)量良好，表面魚(yú)鱗狀紋路清晰，飛邊很小，如圖2所示。經(jīng)過(guò)X射線探傷測(cè)試，在焊縫中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷。由此可見(jiàn)，對(duì)于6082-T6鋁合金，采用高焊接速度進(jìn)行FSW完全可行，可以大大提高實(shí)際生產(chǎn)效率。

圖2 FSW焊接試樣形貌

FSW接頭橫截面的宏觀形貌如圖3所示。接頭呈現(xiàn)出典型的FSW接頭形貌，焊核區(qū)、熱力影響區(qū)等區(qū)域清晰可見(jiàn)。從圖中可以看出，雖然采用很高的焊接速度，并沒(méi)有形成孔洞、未焊透等缺陷。而且“S”線呈現(xiàn)出不連續(xù)的分布狀態(tài)，焊核區(qū)中心僅有少量“S”線，表明FSW過(guò)程中攪拌針的攪動(dòng)作用仍然很劇烈，將初始表面氧化膜充分破碎。這可以防止FSW在載荷作用下沿“S”線斷裂，有助于提高接頭力學(xué)性能。

圖3 FSW接頭橫截面宏觀形貌

圖4為FSW接頭各區(qū)域的典型微觀組織。從圖中可以看出，母材呈現(xiàn)出典型的軋制態(tài)形貌，晶粒沿軋制方向拉長(zhǎng)，晶粒粗大，長(zhǎng)度方向約為幾百微米。經(jīng)過(guò)FSW過(guò)程的劇烈塑性變形和熱的混合作用，焊核區(qū)組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，呈現(xiàn)出典型的等軸晶組織，晶粒尺寸明顯細(xì)化，約為10 μm。而熱力影響區(qū)由于材料塑性流動(dòng)作用則呈現(xiàn)出典型的晶粒拉長(zhǎng)形貌，且晶粒與母材相比也明顯細(xì)化。

圖4 FSW接頭各區(qū)域的微觀組織

圖5為2種焊接速度條件下FSW接頭熱影響區(qū)的TEM微觀組織。從圖中可以看出，在較低的焊接速度200 mm/min條件下，熱影響區(qū)的沉淀相發(fā)生了明顯的粗化現(xiàn)象，最長(zhǎng)可達(dá)到500 nm(圖5a)。而焊接速度提高到2 000 mm/min時(shí)，熱影響區(qū)的沉淀相雖然有所粗化，但粗化程度大大降低，大部分沉淀相的長(zhǎng)度在50 nm左右，如圖5b所示。顯然，高焊接速度有利于抑制熱影響區(qū)沉淀相的粗化，從而提高接頭力學(xué)性能。

圖5 FSW接頭熱影響區(qū)TEM形貌

2.2 接頭力學(xué)性能

圖6為FSW接頭的維氏顯微硬度分布曲線。從圖中可以看出低焊接速度200 mm/min條件下，F(xiàn)SW接頭的硬度曲線呈現(xiàn)出沉淀強(qiáng)化鋁合金特有的“W”形分布。母材硬度最高，約為110 HV，焊核區(qū)硬度與熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)硬度相比較高，達(dá)到75 HV左右，最低硬度點(diǎn)位于熱影響區(qū)，硬度下降明顯，約為58 HV。當(dāng)焊接速度提高至2 000 mm/min時(shí)，焊核區(qū)的硬度變化不大，而熱影響區(qū)的最低硬度值明顯提升至72 HV，與焊核區(qū)硬度幾乎達(dá)到同等水平。通常焊核區(qū)溫度較高，大部分沉淀強(qiáng)化相固溶，且晶粒明顯細(xì)化，從而使得其硬度高于熱影響區(qū)；而熱影響區(qū)只受到熱的作用，強(qiáng)化相大部分粗化/溶解，且晶粒長(zhǎng)大，成為軟化區(qū)。

圖6 FSW接頭橫截面顯微硬度分布圖

研究表明，對(duì)于沉淀強(qiáng)化鋁合金，最低硬度區(qū)的峰值溫度一般不會(huì)發(fā)生變化，但隨著焊接速度的提升，其熱循環(huán)過(guò)程中高溫停留時(shí)間逐步降低，強(qiáng)化相粗化/溶解時(shí)間縮短[5]。試驗(yàn)采用的高焊接速度2 000 mm/min情況下最低硬度區(qū)在高溫停留時(shí)間大大縮短，減弱了強(qiáng)化相的粗化/溶解和晶粒長(zhǎng)大，因此,其硬度值明顯高于常規(guī)參數(shù)下的熱影響區(qū)硬度值(約58 HV)[8]。

圖7為FSW接頭的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，在低焊接速度200 mm/min時(shí)FSW接頭的屈服強(qiáng)度約為130 MPa，抗拉強(qiáng)度為226 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為7.2%。高焊接速度2 000 mm/min時(shí)，F(xiàn)SW接頭的屈服強(qiáng)度提高至170 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到262 MPa，斷后伸長(zhǎng)率略為降低，為6.8%。高焊接速度下FSW接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材的85%，優(yōu)于常規(guī)參數(shù)下的FSW接頭性能(約75%)[6-10]。通過(guò)圖8所示的高焊接速度拉伸后樣品的形貌可以看出，樣品拉伸斷裂位置遠(yuǎn)離焊核區(qū)，且沿著熱影響區(qū)斷裂，為高質(zhì)量FSW接頭典型的斷裂模式。

圖7 FSW接頭拉伸性能曲線

圖8 高焊接速度FSW接頭拉伸后樣品形貌

表2[6-10]為不同焊接速度下6082-T6鋁合金FSW接頭的拉伸強(qiáng)度匯總表。從表中可以看出，焊接速度對(duì)6082-T6鋁合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度有明顯的影響，基本上隨著焊接速度的增加而提高，這與之前的研究結(jié)果相吻合[5]。當(dāng)焊接速度較低(150～400 mm/min)時(shí)，由于熱循環(huán)過(guò)程中高溫停留的時(shí)間較長(zhǎng)，熱影響區(qū)，尤其是最低硬度區(qū)軟化明顯，6082-T6鋁合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度較低，為230 MPa左右。當(dāng)焊接速度增加到800 mm/min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度增加到246 MPa。而采用試驗(yàn)中的高焊接速度2 000 mm/min時(shí)，由于熱循環(huán)過(guò)程中高溫停留時(shí)間明顯縮短，最低硬度區(qū)軟化作用受到抑制，因此接頭的抗拉強(qiáng)度明顯升高，達(dá)到262 MPa。

表2 不同焊接速度下6082-T6鋁合金FSW接頭抗拉強(qiáng)度

通過(guò)文中的試驗(yàn)研究以及相關(guān)報(bào)道可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提高焊接速度可以明顯提高沉淀強(qiáng)化鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能。對(duì)于沉淀強(qiáng)化鋁合金來(lái)說(shuō)，熱循環(huán)歷史成為影響FSW接頭的主要因素。通常，改變工具尺寸和旋轉(zhuǎn)速度只能改變最低硬度區(qū)的位置，不能改變最低硬度區(qū)的溫度歷史曲線，表現(xiàn)為溫度曲線上峰值與寬度不變。而改變焊接速度雖然不能改變最低硬度區(qū)的峰值溫度，但隨著焊接速度的增加，最低硬度區(qū)在高溫停留時(shí)間縮短，表現(xiàn)為溫度曲線變窄，從而減弱了最低硬度區(qū)的軟化作用，提高接頭強(qiáng)度。顯然，增加焊接速度成為改善FSW接頭性能的有效手段。文中在高焊接速度2 000 mm/min下可得到高質(zhì)量的FSW接頭，不僅提高接頭力學(xué)性能，而且可明顯提高實(shí)際生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。

3 結(jié)論

(1)選用高焊接速度2 000 mm/min的參數(shù)成功實(shí)現(xiàn)了6082-T6鋁合金的FSW，焊縫表面質(zhì)量良好，內(nèi)部沒(méi)有缺陷產(chǎn)生。

(2) 高焊接速度時(shí)焊核區(qū)“S”線呈現(xiàn)出不連續(xù)的分布狀態(tài)，晶粒尺寸細(xì)化至10 μm，熱影響區(qū)的沉淀相粗化明顯減弱。

(3)高焊接速度時(shí)FSW接頭的最低硬度值明顯升高，達(dá)到72 HV。拉伸測(cè)試時(shí)，接頭斷裂于熱影響區(qū)，抗拉強(qiáng)度高達(dá)262 MPa，為母材的85%，優(yōu)于常規(guī)參數(shù)下FSW接頭強(qiáng)度。

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