周 平,熊淑秋
(江西工程學(xué)院智能制造與能源工程學(xué)院,江西新余 338000)
S 線是鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭中常見的組織形態(tài), 國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者認(rèn)為焊態(tài)下FSW 接頭中S 線對(duì)接頭的性能沒有影響[1-2]。 隨著FSW 技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用, 需要更全面地考察FSW 接頭的性能。 如在高速列車行業(yè)中,對(duì)接頭拉伸性能、焊接受拉面為焊縫正面的彎曲(面彎)性能和受拉面為焊縫背面的彎曲(背彎)性能等進(jìn)行考察。 本文選取高速列車用6082-T6 鋁合金板材作為試驗(yàn)材料,系統(tǒng)研究工藝參數(shù)和接頭S 線形成的關(guān)系以及S 線對(duì)其接頭性能的影響。
采用5 mm 厚的6082-T6 鋁合金板材作為試驗(yàn)材料,將母材切割成幾何尺寸為300 mm × 150 mm ×5 mm 的板材,進(jìn)行板間攪拌摩擦焊接。攪拌頭材料為H13 鋼,軸肩直徑為20 mm。焊接參數(shù)為:攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 400、1 800 和2 200 r/min, 焊接速度分別 為50、100、150、200、250、300、400 和600 mm/min,攪拌頭傾角為2.5°。
為揭示S 線微觀形貌特征, 焊后對(duì)接頭切割取樣, 分別采用拋光腐蝕+金相觀察和電解拋光+掃描電鏡觀察2 種方法對(duì)FSW 接頭焊核區(qū)S 線進(jìn)行觀察[3]。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653—2008 和GB/T2651—2008 分別對(duì)樣件(圖1)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)[4]。
圖1 拉伸試樣
圖2 是不同焊接工藝參數(shù)(以轉(zhuǎn)速—焊接速度表示) 情況下利用光學(xué)顯微鏡觀察到的6082-T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)的S 線形貌。
圖2 焊接頭焊核區(qū)S 線形貌
從圖2 中可看出, 在光學(xué)顯微鏡下觀察到的S線為黑色曲線,S 線從焊核區(qū)底部以曲折的路徑貫穿到焊核區(qū)上表面, 光學(xué)顯微鏡下觀察到的不同焊接速度的S 線區(qū)別不大。
圖3 分別是攪拌頭轉(zhuǎn)速1 800 r/min、 焊接速度分別為100 mm/min 和400 mm/min 時(shí)電解拋光+掃描電鏡觀察的FSW 接頭S 線微觀圖。
圖3 掃描電鏡觀察S 線微觀圖
由圖3(a)可看到焊接速度為100 mm/min 時(shí)接頭S 線為一條不連續(xù)白色線,線中包含較多不連續(xù)微孔洞,這些微孔洞會(huì)造成接頭彎曲時(shí)沿S 線開裂。 由圖3(b)可發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接速度為400 mm/min 時(shí)接頭焊核區(qū)上部沒有白色線,接頭S 線表現(xiàn)為分布較多的破碎氧化鋁顆粒,此類S 線對(duì)接頭的力學(xué)性能幾乎沒有影響。 由此可知焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭S 線的形成、微觀形貌及接頭力學(xué)性能有關(guān)鍵的影響,有必要對(duì)工藝參數(shù)對(duì)S 線的形成的影響機(jī)制進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[5]。
圖4 為焊接工藝參數(shù)與接頭中S 線形成關(guān)系的統(tǒng)計(jì)圖。從圖4 可以看出,當(dāng)焊接參數(shù)為1 800 r/min-50 mm/min 和2 200 r/min-50 mm/min 時(shí), 鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)在拋光腐蝕后沒有觀察到S 線,而其他參數(shù)對(duì)應(yīng)的接頭在焊核區(qū)均可觀察到S 線。
圖4 焊接工藝參數(shù)與接頭S 線形成關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖
圖5 和圖6 為攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 800 r/min, 焊接速度分別為100 mm/min 和400 mm/min 時(shí)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭面彎試樣的宏觀形貌圖。 由圖5 可知,當(dāng)焊接速度為100 mm/min 時(shí),接頭在面彎40°時(shí)發(fā)生明顯的開裂現(xiàn)象。從彎曲試樣的厚度方向可以明顯地看出, 裂紋沿著焊核區(qū)的上部S 線萌生并擴(kuò)展。 從圖6 中可以看出當(dāng)焊接速度增加400 mm/min 時(shí),接頭面彎180°時(shí)并無(wú)裂紋產(chǎn)生。 這個(gè)結(jié)果說(shuō)明,在不同的焊接工藝條件下接頭焊核區(qū)形成的S 線對(duì)接頭的力學(xué)性能影響不同。結(jié)合2 個(gè)試樣的焊接參數(shù)可以發(fā)現(xiàn), 在焊接速度為100 mm/min的相對(duì)低的焊接速度條件下獲得的接頭焊核區(qū)S線會(huì)對(duì)面彎性能產(chǎn)生不利的影響,即S 線的存在降低了焊核區(qū)的塑性。 而當(dāng)焊接速度增大,焊接熱輸入降低至一定程度時(shí),焊核區(qū)S 線對(duì)接頭力學(xué)性能的不利影響消失。
圖5 1 800 r/min-100 mm/min 情況下接頭的面彎圖
圖6 1 800 r/min-400 mm/min 情況下接頭的面彎圖
圖7 不同工藝參數(shù)條件下FSW 接頭的面彎結(jié)果
圖8 不同焊接參數(shù)下的接頭硬度曲線
圖9 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果
為保證1 800 r/min-100 mm/min 和2 200 r/min-100 mm/min 2 種不同參數(shù)下焊接接頭斷裂位置的可重復(fù)性,選取參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 的接頭為研究對(duì)象,對(duì)其追加了3 個(gè)拉伸試樣并進(jìn)行了拉伸試驗(yàn), 其拉伸的宏觀斷裂形貌和斷裂強(qiáng)度分別如圖10 和表2 所示。 從圖10 可以看出, 試樣1 接頭的拉伸斷裂位置位于熱影響區(qū)并呈45°剪切斷裂 (圖10(a)),另外4 個(gè)接頭的拉伸斷裂位置均位于焊核區(qū)并且裂紋沿著S 線的走向發(fā)生斷裂(圖10(b)、圖10(c)、圖10(d)和圖10(e))。 從表2 可以看出,焊核區(qū)的接頭強(qiáng)度要低于斷裂位于HAZ 的接頭強(qiáng)度。以上結(jié)果說(shuō)明當(dāng)參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時(shí),S 線對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的不利影響超越了熱影響區(qū)的軟化對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的不利影響,從而導(dǎo)致拉伸過(guò)程中裂紋沿著S 線形成并擴(kuò)展,且拉伸斷裂位置位于焊核區(qū)。
圖10 參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時(shí)接頭的拉伸斷裂位置宏觀形貌圖
表2 參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時(shí)接頭的拉伸強(qiáng)度
1)在6082-T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭中,容易產(chǎn)生S 線,焊接速度為100 mm/min 時(shí)S 線主要為微孔洞,焊接速度為400 mm/min 時(shí)S 線表現(xiàn)為破碎氧化鋁顆粒。
2)在焊速相對(duì)較低且轉(zhuǎn)速較高的部分焊接參數(shù)下,S 線可明顯降低接頭彎曲性能,在其他條件下,S線對(duì)接頭的彎曲性能無(wú)影響。
3)當(dāng)焊接參數(shù)為2 200 r/min-100 mm/min 時(shí),S線導(dǎo)致接頭在拉伸中產(chǎn)生沿S 線擴(kuò)展裂紋, 斷裂位于焊核區(qū)。參考文獻(xiàn):
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