MIG焊和FSW焊对铝合金焊缝组织的影响

MIG 焊和FSW焊对铝合金焊缝组织的影响

孙庭秀

(渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛125105)

摘要：对异种铝合金进行搅拌摩擦焊和熔化极气体保护焊进行对比试验，利用光学显微镜以及扫描电子显微镜对焊接试样的微观组织进行观察，研究搅拌摩擦焊与熔化极气体保护焊组织变化的微观机理。

关键词：铝合金；MIG 焊；搅拌摩擦焊(FSW)；金相组织

作者简介：孙庭秀，副教授，渤海船舶职业学院。

文章编号：1672-6758(2015)06-0064-3

中图分类号：TG441.8

作者简介：梁明亮，硕士，副教授，郑州铁路职业技术学院。

基金项目：河南省科技厅2015年软科学研究项目“中原经济区建设背景下大学生科技创新和创业能力培养的研究”；河南省科技开放合作项目(编号：132106000079)；河南省高校青年骨干教师资助计划(编号：2014GGJS-167)；河南省教育厅科技攻关项目(编号2009C510002、2011C510003)。

铝合金是制造铁路高速列车部件的主要材料，解决铝合金焊接技术问题，已成为铝合金加工业和铁路高速列车制造业面临的重要课题。

本实验对异种铝合金进行搅拌摩擦焊和熔化极气体保护焊对比试验，研究两种焊接方法焊接接头组织的特点和变化规律。

一试验材料及方法

本实验所用材料为板厚为12mm 6005A-6082-T6铝合金，属于热处理可强化铝合金，具有中等强度和良好的焊接性能、耐腐蚀性。其两种铝合金化学成分分别如表1-1、1-2所示。

表1-1　6005A-T6铝合金化学成分(wt%)

表1-2　6082-T6铝合金化学成分(wt%)

二试验设备及方法

1.MIG 焊工艺参数及方法。

试样板MIG焊保护气体为30%He+0.015%N2+69.985%Ar混合气体，并且背面带有衬板。试件采用多层多道焊接方法，接头采用对接，开90°单面V型坡口。试件焊接工艺参数见表1-3所示。

表1-3　试样MIG的焊接规范参数

2.搅拌摩擦焊工艺参数及方法。

在FSW-LM-5025型搅拌摩擦焊机上进行对接试验。搅拌焊针长度为13mm，焊肩直径为28mm。表1-4所示给出了FSW-LM-5025型搅拌摩擦焊机的输出参数以及试验采用的焊接参数。

表1-4　FSW-LM-5025型搅拌摩擦焊机的

3.金相试样制备。

使焊缝居中，垂直于焊缝方向取样，切割面平整。采用 400 号到 2000 号砂纸依次手动磨光，在 P-2 型抛光机上进行抛光，分别用 2.5 号、0.5 号金刚石研磨膏在丝绒布上进行粗抛和精抛，选用擦蚀法浸蚀试样，浸蚀溶液为 Keller 试剂(150mlH2O，3mlHNO3，6mlHCl，6mlHF)。腐蚀时间为10min；冲洗风干处理完毕后，采用 BX51M 光学显微镜分别对 MIG 焊和FSW 两种焊接接头焊态下的显微组织形态进行观察。

三实验结果与分析

1. 6082、6005A母材显微组织。

图 1a)、b)为6082、6005A母材的显微组织，晶粒呈纤维状，并且纤维排列方向沿板材轧制方向分布。强化相Mg2Si均匀分布α(Al)固溶体基体上，少量Mg2Si 初晶分布母材区组织呈黑色铸态。

a)

b) 图1　铝合金母材的显微组织 Fig.1　Microscopic structure of the base organization

2. MIG焊焊接接头组织及分析。

图2所示为采用熔化极气体保护焊焊接(MIG)方法，焊接6082-6005A-T6两板材对接焊缝区的宏观形貌，其中A和B分别是两种试样母材。

图2　MIG接头宏观形貌 Fig.2　Macroscopic morphology of the MIG welding

图3所示为采用熔化极气体保护焊焊接(MIG)方法，试板对接焊接接头的显微组织。其中图3 a)是焊缝区显微组织，因铝合金导热性强、散热快，焊缝组织结晶和凝固速度极快，焊缝区液态金属结晶组织呈等轴枝晶状。图3 b)、c)是两侧熔合区显微组织，颜色发亮线条是熔合线。熔合区附近母材晶粒作为现成表面向焊缝中心生长，但长大的趋势各不相同，有的柱状晶很快长大，长了焊缝中心，而有的柱状晶成长半途终止。在散热的方向上晶体成长的快，故接近熔合线的焊缝组织晶粒呈粗大柱状晶状。

a) 焊缝区Weld Nugget

b) 6082熔合区 6082 fusion zone

c)6005A熔合区6005A fusion zone 图3　MIG 焊焊接接头显微组织 Fig.3　Microscopic structure of the MIG welding

3.FSW焊焊接接头组织及分析。

图4所示为采用搅拌摩擦焊方法，焊接6082-6005A-T6两板材对接焊缝区横剖面的宏观形貌，其中A和B分别是试样母材。从图 4可见在焊缝区横剖面图上，熔合线横截面呈 “碗”状，且左右不一致，A试样母材一侧宽和B试样母材一侧较窄。搅拌摩擦焊是采用高速旋转的搅拌头做为焊具，搅拌针是部分插入接缝中，通过摩擦产生的热能作为热源实现固相连接的。在搅拌针周围产生了塑性流动，并沿着工件向前运动，由于搅拌针旋转方向两侧金属存在温度差，同时造成焊缝两侧熔合区的化学不均匀性和物理不均匀性，随着焊缝金属逐渐冷却形成焊缝。造成焊缝左右熔合线不对称，造成前进侧熔合区和回转侧熔合区有一条宽窄不一致的清晰的流线型分界线，或称其为“洋葱环”。

图4　6082-6005-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头 典型宏观断面 Fig.4　Typical cross section of FSW welding of 6082-6005-T6 aluminum alloy

如图5所示为FSW焊焊接接头热影响区显微组织。其中图5 a)为搅拌针旋转方向前进侧热影响区组织，而图5b)为搅拌针旋转方向后退侧热影响区组织。焊接时，搅拌针热影响区机械搅拌作用相对焊缝区小，热影响区组织沿着热影响区宽度方向处于不同的塑性软化状态，该区温度低于焊缝区且极不均匀，晶粒未变仍呈纤维状，但有较大的变形，并且在热循环的作用下纤维状组织内产生再结晶组织。由图中可以看出，前进侧晶粒有长大趋势相对返回侧较明显，由于搅拌针旋转方向两侧金属存在温度差且前进侧温度高造成的。图 5 c)为FSW焊焊接接头焊缝区显微组织，焊缝区晶粒组织受到搅拌头挤压作用，同时受到搅拌针强烈的机械搅拌作用，不仅成分均匀，而且该区域受摩擦热作用，温度最高，成长的晶粒遭到打碎，增加了结晶中心，使结晶以后的金属组织细化。该区域组织塑性软化状态，母材原有纤维状组织破碎，因而母材组织在搅拌针的机械搅拌作用发生动态再结晶，母材晶粒沿板材轧制方向呈长纤维状组织变为等轴细小的再结晶组织。

a)前进侧热影响区 heat influence area of the forward side

c)焊缝nugget 图5　FSW 焊接接头显微组织 Fig.5　Microscopic structure of FSW welding

四结论

本试验对 6082-6005A-T6 铝合金 MIG 焊和搅拌摩擦焊两种接头分别进行组织分析，通过对比，得出如下结论：

6082-6005A-T6 铝合金 MIG 焊接头焊缝组织为等轴枝晶，熔合区组织为细网状，晶粒粗大。FSW 焊接接头比 MIG 焊接头具有细小的等轴再结晶组织，并且焊接热影响区狭窄。

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Impact of the MIG and FSW Welding on Metallographic Structure of Aluminum Alloy Joint

Sun Tingxiu

(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao,Liaoning 125005, China)

Abstract：The contrast test was finished between Friction Stir Welding and Metal-Inert Gas Welding of the heterogeneous aluminum alloy. Through observing the microstructure of welded specimen by optical microscope and scanning electron microscope, microscopic mechanism of organizational change of MIG welding and FSW welding was studied.

Key words：aluminum alloy；MIG；FSW；metallographic structure

Class No.:TG441.8Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

李勇，硕士，副教授，郑州铁路职业技术学院。