張欣盟　何廣忠　王貝貝　薛鵬　肖伯律　倪丁瑞　馬宗義

摘要：針對(duì)軌道列車車體鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中產(chǎn)生的裝配間隙問(wèn)題，采用在間隙處填充焊絲與焊片的方式對(duì)6082-T6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接。結(jié)果表明，兩種填充方式的FSW接頭在拉伸過(guò)程中均斷裂于熱影響區(qū)，填充的焊絲與焊片并不會(huì)導(dǎo)致焊核區(qū)在拉伸過(guò)程中開(kāi)裂，進(jìn)而影響接頭力學(xué)性能。提高焊接速度有助于增強(qiáng)填充焊片接頭的拉伸強(qiáng)度，最優(yōu)焊接參數(shù)為轉(zhuǎn)速1 200 r/min，焊接速度600 mm/min，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到245 MPa;而對(duì)于填充焊絲的接頭，其抗拉強(qiáng)度略有降低，為235 MPa。本研究為鋁合金長(zhǎng)直攪拌摩擦焊縫間隙問(wèn)題提供了一種有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;填料;6082鋁合金;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG453 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0054-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.12

0 前言

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）是一種新型的固相連接技術(shù)，自1991年發(fā)明以來(lái)，受到了廣泛的研究和關(guān)注[1-5]。近年來(lái)FSW已廣泛應(yīng)用于諸多制造領(lǐng)域，例如航空航天[6]、軌道交通[7-8]、船舶以及汽車制造業(yè)[4]，特別在鋁合金列車車體制造中成為最受關(guān)注的新型焊接技術(shù)。

在軌道列車車體實(shí)際FSW生產(chǎn)中，待焊部件多為長(zhǎng)直的鋁合金型材或板材，由于接頭形式、型材直線度公差及FSW工裝精度等因素的影響，焊前裝配過(guò)程中常會(huì)存在一定的間隙。而且在FSW焊接過(guò)程中，因工裝卡具加壓固定問(wèn)題，攪拌頭產(chǎn)生的強(qiáng)大下壓力也會(huì)造成裝配間隙逐漸變大。此外，在鋁合金型材的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常常發(fā)現(xiàn)，雖然焊接正面時(shí)未出現(xiàn)裝配間隙，然而因焊接變形背部出現(xiàn)了明顯的間隙。FSW焊縫的成形直接受材料的流動(dòng)狀態(tài)影響，而間隙的存在會(huì)導(dǎo)致FSW過(guò)程中焊縫區(qū)材料不足，從而影響正常的材料流動(dòng)和接頭微觀組織變化及力學(xué)性能[9-12]。當(dāng)裝配間隙過(guò)大時(shí)，由于FSW過(guò)程中材料不能及時(shí)填充，焊核區(qū)材料流動(dòng)發(fā)生異常，很難得到無(wú)缺陷的FSW接頭，常出現(xiàn)孔洞、隧道型的結(jié)構(gòu)缺陷。

綜上所述，在軌道列車車體的長(zhǎng)直鋁合金部件FSW焊接時(shí)，常出現(xiàn)裝配間隙超出工藝要求的情況，不僅成為產(chǎn)生焊接缺陷的潛在隱患，同時(shí)造成產(chǎn)品合格率降低，影響生產(chǎn)效率，必須予以解決。文中選用在間隙處填充鋁合金焊絲或焊片的方法進(jìn)行FSW，該方法成本低、操作簡(jiǎn)單。通過(guò)在不同的焊接參數(shù)下進(jìn)行FSW，對(duì)接頭宏觀、微觀組織進(jìn)行觀察，并測(cè)試接頭的力學(xué)性能，確立優(yōu)化的FSW工藝參數(shù)，從而建立鋁合金間隙填料FSW新工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

研究選用6082-T6鋁合金板材，板厚4 mm，焊前用丙酮清洗油污。選用典型間隙1 mm的板材作為研究對(duì)象，用1 mm厚的焊片和兩條直徑1 mm的焊絲進(jìn)行對(duì)接間隙填充。焊片材質(zhì)為與母材材質(zhì)一致的6082鋁合金薄片，寬度為4 mm，焊前用丙酮清洗油污，焊片與焊絲的放置位置及填料FSW過(guò)程橫截面示意如圖1所示。焊接工具軸肩直徑為20 mm，攪拌針長(zhǎng)為3.72 mm，攪拌針根部直徑為8 mm，工具傾角為2.5°，焊接工具的材質(zhì)為H13熱作模具鋼。FSW試驗(yàn)時(shí)與實(shí)際應(yīng)用中工況相同，均平行于板材軋制方向進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)和樣品編號(hào)如表1所示。

對(duì)于FSW接頭宏觀形貌的分析樣品，垂直于焊縫方向采用電火花切割截取橫向金相試樣，依次使用150#、240#、400#、800#、1200#和2000#砂紙進(jìn)行機(jī)械磨制，然后機(jī)械拋光處理。進(jìn)行金相腐蝕時(shí)，首先采用傳統(tǒng)的Keller試劑（2.5 mL HNO3+1.5 mL HF+95 mL H2O）進(jìn)行腐蝕，然后采用光學(xué)顯微鏡（Optical microscope，OM）觀察FSW接頭樣品橫截面。拉伸樣品垂直于焊接方向取樣，樣品尺寸如圖2所示，拉伸測(cè)試時(shí)初始應(yīng)變速率為10-3 s-1。采用FEI Quanta 600型掃描電鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭微觀組織

不同工藝參數(shù)下FSW接頭的宏觀形貌如圖3所示，可以明顯看出焊核區(qū)的輪廓。1200-600-P和800-200-P樣品橫截面上均未觀察到孔洞等缺陷存在，而在兩種樣品的焊核區(qū)均可觀察到“S”線的存在。但800-200-P試樣與1200-600-P試樣相比，能夠觀察到明顯的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，這是由于焊接速度的降低使得材料能有足夠的時(shí)間充分流動(dòng)，更有利于“洋蔥環(huán)”的形成。而對(duì)于鋁合金的填料FSW，與傳統(tǒng)FSW相比，由于對(duì)接面中焊片的加入增加了被焊材料的表面積，使氧化物的數(shù)量增多，因此焊核區(qū)的“S”線相對(duì)更明顯。而且此時(shí)“S”線不再呈現(xiàn)出單一線條的分布，焊核中出現(xiàn)了更多的“S”線，且原始的焊片破碎成塊狀顆粒分布在焊核區(qū)。

1500-1000-P接頭橫截面的宏觀形貌如圖3c所示。焊核中可以觀察到明顯的“洋蔥環(huán)”這一特征結(jié)構(gòu)，而在焊核邊界處和上表面可觀察到明顯的微裂紋。從“S”線在填料FSW接頭焊核區(qū)的分布及接頭的腐蝕襯度差異可以推斷，對(duì)接面添加的焊片在FSW后主要分布在焊核區(qū)的中心位置，高焊接速度下的FSW焊核區(qū)焊片的破碎程度較弱，通常呈大塊狀存在，且焊片通常呈現(xiàn)出連續(xù)分布的狀態(tài)。1200-600-S接頭橫截面宏觀形貌如圖3d所示。由于焊絲體積較小，對(duì)接面的氧化膜變少，因此橫截面上的“S”線數(shù)量較少，并大多集中在焊核的中下部分。

2.2 拉伸性能

拉伸測(cè)試結(jié)果及拉伸曲線如表2、圖4所示。從拉伸性能來(lái)看，800-200-P試樣的強(qiáng)度最低，約為230 MPa，但延伸率稍好，約8.0%。當(dāng)焊接速度增加到600 mm/min時(shí)，1200-600-P試樣抗拉強(qiáng)度為245 MPa，而且該試樣的屈服強(qiáng)度也較高，約為140 MPa。這是由于隨著焊接速度的提升，熱影響區(qū)的高溫持續(xù)時(shí)間與最高峰值溫度均低于低焊接速度時(shí)的，導(dǎo)致熱影響區(qū)寬度較窄，軟化程度較小[13-14]。所有的拉伸樣品均斷裂在軸肩邊緣，且從側(cè)面看斷裂方向與拉伸方向約成45°，即與最大剪切力方向及焊核區(qū)邊界一致。焊片的加入并沒(méi)有導(dǎo)致FSW接頭斷裂在焊核區(qū)，間隙填料FSW接頭的拉伸力學(xué)性能與常規(guī)FSW接頭的力學(xué)性能較為吻合[15-16]。800-200-P樣品由于焊接速度較低，熱影響區(qū)的高溫影響時(shí)間增長(zhǎng)，熱影響區(qū)析出相發(fā)生回溶或粗化，嚴(yán)重導(dǎo)致該接頭強(qiáng)度降低[17-18]。

對(duì)于沉淀強(qiáng)化鋁合金而言，焊速的提高有助于材料力學(xué)性能，并且高焊速必須同時(shí)結(jié)合高轉(zhuǎn)速以增強(qiáng)材料流動(dòng)，防止缺陷產(chǎn)生，才能得到更高的拉伸強(qiáng)度[17，19]。根據(jù)拉伸結(jié)果，1500-1000-P-1試樣抗拉強(qiáng)度為245 MPa，延伸率為3%，樣品斷裂在焊核區(qū)，雖然其抗拉強(qiáng)度與1200-600試樣相當(dāng)，但延伸率卻明顯降低。而1500-1000-P-2試樣的抗拉強(qiáng)度僅為225 MPa，與1500-1000-P-1試樣相比進(jìn)一步降低，延伸率僅為1.2%。這是由于焊速過(guò)高時(shí)，填充物容易飛出從而影響焊接過(guò)程中的材料流動(dòng)，造成隧道、裂紋等焊接缺陷。因此1500-1000參數(shù)的力學(xué)性能不穩(wěn)定，強(qiáng)度波動(dòng)較大，且試樣斷裂在焊核區(qū)。而對(duì)于1200-600-S接頭，其強(qiáng)度并未提高，拉伸斷裂位置位于軸肩以內(nèi)的熱影響區(qū)?？傮w來(lái)說(shuō)，1 200 r/min、600 mm/min參數(shù)下的FSW接頭的綜合拉伸性能最好，對(duì)于填充焊片和焊絲的焊接接頭，其抗拉強(qiáng)度分別為245 MPa、235 MPa，并且拉伸斷裂位置均位于熱影響區(qū)。因此在優(yōu)化的焊接參數(shù)下，焊片和焊絲的加入不會(huì)導(dǎo)致拉伸斷裂發(fā)生在焊核區(qū)，進(jìn)而影響接頭的拉伸性能。

6082-T6鋁合金板材填片F(xiàn)SW接頭拉伸斷口的典型形貌如圖5所示。由圖5可知，1 200 r/min-600 mm/min和800 r/min-200 mm/min工藝參數(shù)下接頭的斷口宏觀形貌沒(méi)有孔洞、隧道和弱結(jié)合等缺陷，在高倍形貌圖中均呈現(xiàn)出韌性斷裂的模式，與常規(guī)FSW接頭類似。而由斷口的高倍SEM照片可以觀察到明顯的韌窩狀形貌，表明接頭在拉伸過(guò)程中具有良好的塑性變形能力。而對(duì)于1500-1000-P接頭，在拉伸之后斷裂位置位于焊核區(qū)，其斷裂位置與橫截面金相處聚集的塊狀未分散的“S”線顆粒以及隧道缺陷有關(guān)，并且其拉伸啟裂位置在焊核邊界的微裂紋處。此參數(shù)下力學(xué)性能不穩(wěn)定，斷口上可以看到隧道以及焊接產(chǎn)生的微裂紋。這是由于焊接速度較高，導(dǎo)致焊核內(nèi)形成了大量微裂紋和孔洞，從而降低材料性能，且強(qiáng)度波動(dòng)較大。

6082-T6鋁合金板材填焊絲FSW接頭拉伸斷口形貌如圖6所示，接頭的斷口呈現(xiàn)出韌性斷裂的模式。而由斷口的高倍SEM照片可以觀察到明顯的韌窩狀形貌，表明接頭在拉伸過(guò)程中具有良好的塑性變形，這與之前的拉伸測(cè)試結(jié)果一致。在韌窩底部并未發(fā)現(xiàn)粗大的析出相以及其他第二相粒子，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)，這表明基體中的強(qiáng)化相在焊接過(guò)程中主要發(fā)生了回溶現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

通過(guò)在間隙中添加焊片或焊絲可以在一定的工藝范圍內(nèi)得到性能較好的接頭組織，為裝配過(guò)程中出現(xiàn)的間隙問(wèn)題提供了一種解決方案。焊接過(guò)程中的轉(zhuǎn)速變化并不會(huì)顯著影響接頭的力學(xué)性能，而提高焊速對(duì)其力學(xué)性能的提高有明顯效果。但焊速過(guò)高時(shí)，填充物容易飛出從而形成缺陷，文中最適宜的焊速為600 mm/min。焊速200 mm/min 時(shí)抗拉伸強(qiáng)度最低為230 MPa，焊接速度提高至600 mm/min，抗拉強(qiáng)度提高至245 MPa。當(dāng)焊速繼續(xù)增大到1 000 mm/min時(shí)，其拉伸性能出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，斷裂于焊核區(qū)。

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收稿日期：2020-11-09

作者簡(jiǎn)介：張欣盟（1980— ），男，博士，教授級(jí)高工，主要從事軌道車輛焊接工藝方面的研究。E-mail：xinmengzhang@163.com。