張富亮 徐寧 王宇 都偉 榮光明

摘要：利用攪拌摩擦焊在4種不同的工藝參數(shù)下對3 mm厚6005A合金板材進行焊接工藝對比實驗。通過對焊縫位置進行力學拉伸、硬度、正向彎曲、宏觀金相、微觀金相分析，確定最優(yōu)焊接工藝。研究表明：當摩擦頭轉速為1 200 r·min-1、焊接速度為700 mm·min-1時，拉伸斷裂位置出現(xiàn)在熱影響區(qū)附近且斷面呈“ 頸縮 ”現(xiàn)象，維氏硬度分布呈“ W ”形，微觀組織存在局部細小S線，力學值高于標準且優(yōu)于其他三種工藝參數(shù)，為生產工藝提供了技術支持。

關鍵詞：6005A鋁合金;攪拌摩擦焊;力學;硬度;宏觀金相;微觀金相;彎曲實驗

中圖分類號：TG453? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0062-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.11

0? ? 前言

6005A鋁合金屬于Al-Mg-Si系中強鋁合金，具有較高的強度、塑性以及良好的成形性和工藝性特點，被廣泛應用于軌道交通領域[1-2]。攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術，焊接最高溫度不超過材料熔點，材料只達到塑性化狀態(tài)，可避免傳統(tǒng)熔化焊容易出現(xiàn)的氣孔和熱裂紋等缺陷[3]，非常適用于低熔點有色金屬如鋁合金、鎂合金等的焊接[4-5]。攪拌摩擦焊作為解決鋁合金焊接問題的最有效方法之一，已經由最初僅應用在側墻、車頂、端墻等薄板部件上，向枕梁、車鉤座等厚板部件發(fā)展[6-8]。

文中選用3 mm厚板材作為實驗對象，通過不同焊接工藝參數(shù)實驗研究攪拌摩擦焊焊縫位置的力學、硬度、宏觀金相、微觀金相、彎曲性能，最終確立最優(yōu)焊接工藝，為生產工藝提供技術支持。

1 實驗材料與方法

選取3 mm厚6005A合金板材作為研究對象，合金成分如表1所示，采用4種不同的焊接工藝參數(shù)進行焊接，如表2所示，焊接壓入量為0.2 mm，然后將每種焊接工藝下的焊縫從起焊位置沿焊接方向100 mm處開始依次取力學、彎曲、硬度、宏觀金相、微觀金相試樣進行分析，取樣示意圖如圖1所示。使用日本島津AG-X100KN型電子萬能實驗機對試樣進行力學拉伸性能檢測及正向彎曲性能檢測實驗，其中正向彎曲實驗是對試樣進行彎曲角度為180°的性能檢測，利用彎曲半徑9 mm的壓頭進行下壓實驗，要求其焊縫位置無裂紋。利用蔡司AXIO材料顯微鏡對焊縫進行組織分析，采用FV-810顯微維氏硬度計對焊縫、熱影響區(qū)、母材進行連續(xù)壓痕分析實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 力學性能

對1#～4#試樣進行力學拉伸性能檢測，實驗結果如表3所示，斷裂位置如圖2所示。由表3可知，隨著摩擦頭轉速及焊接速度的增加，試樣的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均得到了提高，但摩擦頭轉速繼續(xù)提高而焊接速度保持不變時，試樣的屈服強度及斷后伸長率都呈不斷下降趨勢，抗拉強度也呈現(xiàn)出波動下降趨勢，4#試樣斷后伸長率低于標準值。由圖2可知，1#、2#和3#試樣斷裂位置在熱影響區(qū)附近，焊縫位置未出現(xiàn)斷裂，而4#斷裂在焊縫位置，說明1#、2#和3#試樣的力學性能優(yōu)于4#試樣。1#、2#和3#試樣斷后均出現(xiàn)了“ 頸縮 ”而4#未出現(xiàn)，說明1#、2#和3#試樣均完成了拉伸性能過程中的彈性形變階段及強化階段，達到最大力值后發(fā)生斷裂，而4#試樣未達到強化階段就發(fā)生斷裂，說明4#焊縫的熔合不及1#、2#和3#試樣，而表3中的斷后伸長率也表明，4#焊縫熔合不好，總體上2#力學性能最優(yōu)，其次是3#、再次是1#，4#最差。

2.2 彎曲性能

對1#～4#試樣進行正向彎曲性能檢測，彎曲結果見表4，彎曲照片見圖3。實驗時以60 mm/min速度利用壓頭對焊縫位置進行下壓實驗，直至彎曲角度達到180°時停止，1#～4#試樣焊縫位置均未出現(xiàn)裂紋。

2.3 顯微硬度

以焊縫為中心，在其左右12 mm位置連續(xù)取12點（見圖4）進行顯微維氏硬度檢測，結果如圖5所示。4種不同焊接工藝參數(shù)下的硬度均呈“ W ”分布，母材硬度值高于焊縫及熱影響區(qū)，而最低硬度值出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)過渡位置，說明焊縫處的硬度值略高于熱影響區(qū)附近的硬度值，這也是試樣拉伸后斷裂位置出現(xiàn)在熱影響區(qū)的原因，而隨著距離焊縫中心越來越遠，受到焊接熱輸入影響減少，熱影響區(qū)硬度值也逐漸趨于母材，焊縫中心區(qū)域由于直接受到焊接過程中焊針轉動摩擦的熱輸入影響出現(xiàn)再結晶情況，所以焊縫中心硬度高于焊縫過渡區(qū)域。由圖5可知，2#試樣的硬度總體略高于其余3種試樣，說明在2#焊接工藝參數(shù)下的焊縫發(fā)生再結晶后硬度值高于其他試樣。

2.4 組織性能

將1#～4#試樣放入20 ℃～35 ℃、濃度為15%～25%的NaOH溶液中，腐蝕20～30 min后取出迅速轉入流動的清水中沖洗，然后再放入20%～30%的HNO3溶液中，酸洗15 min，除去黑色堿蝕產物后用流動的清水沖洗干凈后進行宏觀組織觀察[9]。在焊縫中心位置取50 mm試樣進行微觀組織分析，利用400#、800#、1200#砂紙在拋光機上進行金相拋光，然后利用氟硼酸水溶液進行電解，之后對焊縫截面進行金相觀察，焊縫宏觀形貌如圖6所示，其低倍形貌如7所示?？梢钥闯?，2#和3#焊縫局部存在細小S線，而1#和4#焊縫存在明顯寬大S線且貫穿整個焊縫， 由于1#的摩擦頭轉速及焊接速度過低，導致在焊接過程中熱輸入不夠，金屬流動相對緩慢，使氧化物及夾雜無法完全碎化及析出，沉淀在焊縫區(qū)域，導致焊縫熔合不佳，而2#和3#試樣的焊接參數(shù)符合要求，焊后焊縫S相對細小，由于4#焊縫在焊接過程中因焊接速度過快導致焊縫飛邊情況嚴重，使得母材缺失同樣也會造成焊縫熔合不佳，2#和3#焊縫性能優(yōu)于1#和4#焊縫。

3 結論

（1）彎曲試驗未出現(xiàn)裂紋，符合要求。

（2）硬度試驗2#焊縫中心位置及焊縫過渡區(qū)域的硬度優(yōu)于其他3組參數(shù)。

（3）在不同焊接工藝參數(shù)下對4組試樣進行力學性能測試，結果表明2#試樣力學性能高于其他3組。

（4）從斷裂位置可知，1#、2#和3#試樣斷口呈頸縮現(xiàn)象，斷裂位置在熱影響區(qū)附近，而焊縫位置未出現(xiàn)斷裂情況，但4#試樣斷裂在焊縫位置，說明1#、2#和3#的焊縫好于4#。

（5）從高倍腐蝕后焊縫形貌可以看出，3#焊縫略好于2#焊縫，且2#和3#焊縫都呈細小的S線，而1#和4#焊縫S線寬大且貫穿，可見2#和3#焊縫性能優(yōu)于1#和4#焊縫。

結合試樣的力學性能、硬度試驗及金相高倍組織綜合分析2#焊縫焊接工藝參數(shù)最優(yōu)，且高于標準，滿足客戶要求。

參考文獻：

馮艷飛，謝方亮，王克，等.單、雙級時效對6005A鋁合金組織及性能的影響[J].熱處理技術與裝備，2020，41（5）：40-44.

薛江平，黃東男，左壯壯，等.擠壓溫度對6005A鋁合金焊合區(qū)域顯微組織和力學性能的影響[J].中國有色金屬學報，2018，28（7）：1291-1298.

周平，戴啟雷，張元杰. 6082鋁合金攪拌摩擦焊接頭根部缺陷的微觀特征[J].機械工程材料，2019，43（12）：29-33.

郭海霞. 鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織及缺陷的金相表征[J].物理檢驗（物理分冊），2018，54（6）：431-437.

王衛(wèi)兵，董春林，欒國紅，等.攪拌摩擦焊S線特征模型[J].航空制造技術，2015（S1）：7-10.

張秋征，宮文彪，劉杰.6005A-T6鋁合金厚板單面與雙面攪拌摩擦焊的性能比較[J].材料熱處理學報，2014，35（6）：75-79.

黎俊初，周德生，劉大海，等.2A12鋁合金筋板件T型攪拌摩擦焊工藝及焊后熱處理[J].材料科學與工藝，2011，19（2）：80-85，91.

楊模聰，孫中剛，馬銳，等.2060攪拌摩擦焊對接接頭顯微組織與析出相分析[J].材料科學與工藝，2014，22（5）：119-123.

王宇，韓世濤，王周冰，等.6005A地鐵鋁型材氧化膜缺陷的研究分析[J].有色金屬加工，2018，47（5）：29-33.