搅拌摩擦焊在汽车用6061铝合金的应用及研究

盐城工业职业技术学院 王淼

搅拌摩擦焊在汽车用6061铝合金的应用及研究

盐城工业职业技术学院 王淼

利用搅拌摩擦焊（FSW）成功地对汽车用6061铝合金进行了焊接，焊后通过金相显微镜、维氏硬度试验、拉伸试验研究了焊接接头的微观组织与力学性能。结果表明：焊核区晶粒明显细化，接头力学性能良好。

搅拌摩擦焊；6061铝合金；组织；力学性能

1 引言

当今我国的汽车工业发展迅猛，汽车生产量和保有量急剧上涨，能源紧缺和环境问题日益严重。为此，汽车车身上开始大量采用轻量化的铝合金材料[1]。6061铝合金力学性能好，成型性好，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐腐蚀性，因此6061铝合金成为实现汽车轻量化的理想材料。新能源汽车在底盘、车身上的拼接型材均大量采用6061铝合金这种轻量化材料[2-4]。而传统的TIG、MIG等融化焊接易产生孔洞、裂纹等焊接缺陷，且接头力学性能经常不能满足车身力学要求。搅拌摩擦焊接是一种固相焊接技术，它是通过搅拌头的高速旋转，使焊接工件产生摩擦热和形变热，从而使连接部位的材料升温软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的，其焊缝没有凝固组织，不产生与材料熔化相关的缺陷，焊接应力或变形很小。本文对6061铝合金的母材及其搅拌摩擦焊接头的组织和力学性能进行分析，为后续汽车的碰撞实验提供理论依据。

2 焊接材料与实验方法

实验用母材为6082-T6(固溶+人工时效）铝合金轧制板材，尺寸为200×100×4 mm。焊接设备是FSW-3LM-002型搅拌摩擦焊机，搅拌头轴肩直径16 mm，搅拌针直径4 mm、长3.8 mm。焊接旋转速度为1000 r/min，行进速度为100mm/min，轴肩压入工件表面深度为0.1 mm。

FSW试样经线切割后，垂直于焊接方向截取20×8×4 mm的金相试样，磨平抛光后，经keller试剂侵蚀后，在金相显微镜下进行观察。从焊缝横截面的中心线起，向两边每隔l mm处测试一点显微硬度。所用显微硬度计为HV-1000型，载荷为1N，加载时间15s。拉伸试样是垂直于焊缝方向上切割选取，拉伸实验在WDW-10型万能试验机上进行，拉伸速率为0.2 mm/s，载荷为10kN，拉伸试样尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样的示意图

3 实验结果与分析

3.1 金相组织

图2（a）为轧制6082-T6铝合金母材的金相组织，其晶粒组织沿着轧制方向呈明显的长条状结构，晶粒尺寸较大，晶内有大量的析出相呈弥散分布。图2（b）为搅拌摩擦焊缝焊核区（NZ）的金相组织，因焊核区直接受到搅拌针的机械搅拌作用，焊核区发生动态再结晶，晶粒明显细化，呈细小的等轴晶组织，焊核区晶粒尺寸小于10μm。

图2 金相组织

3.2 硬度

图3所搅拌摩擦焊接接头显微硬度分布。焊接前的硬度值为103HV，接头截面硬度呈“W”形分布，焊核区发生一定的软化现象，其硬度值在60～75HV波动，而热机械影响区的硬度值最低。两侧的热影响区硬度值高于焊核区却低于加工前硬度，且远离焊核区的硬度值越接近焊接前的硬度值。

图3 FSW接头显微硬度分布

3.3 拉伸性能

表1为6082－T6铝合金母材及其搅拌摩擦焊接头拉伸试件相应的力学性能参数。搅拌摩擦焊缝的强度较母材有一定降低；其屈服强度为母材的78%，抗拉强度为母材的66%。搅拌摩擦焊接强度总体能够满足铝合金结构车身对力学性能的要求。

表1 拉伸试样力学性能参数

4 小结

采用搅拌摩擦焊接成功地对汽车6082-T6铝合金进行了固相焊接，焊核区硬度值在65～75HV波动，焊接接头试样的屈服强度和抗拉强度分别为母材的78%和66%；搅拌摩擦焊接强度总体能够满足铝合金结构车身的力学性能要求，实现了国产新能源汽车轻量化的目标。

[1]Miller W S,Zhuang L,Bottema J,et al.Recent development in aluminium alloys for the automotive industry[J]. Materials Science and Engineering：A,2000,280(1)：37-49.

[2]Arora KS, Pandey S, Schaper M, Kumar R. Microstructure evolution during friction stir welding of aluminum alloy AA2219.J Mater Sci Technol 2010,26：747-53.

[3]AA 6082-T6 friction stir welded butt joints.ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 3 October(5).

[4]邱宇,郭晓娟,李光等.5083铝合金的搅拌摩擦焊研究[J].电焊机,2014,44(4)：58-61.

王淼，1990年出生，江苏盐城人，硕士，助教，研究方向：铝合金材料热加工。