5 mm厚6005A-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头的组织及性能

2018-03-06，，，，，，

机械工程材料 2018年2期

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(1.中车南京浦镇车辆有限公司，南京 210031；2.中南大学轻合金研究院，长沙 410083;3.航天工程装备(苏州)有限公司，苏州 215100)

0 引言

搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，通过旋转的轴肩和搅拌针与被焊金属之间的摩擦热及搅拌针的挤压、搅拌作用，使被焊金属发生塑性流动，从而形成牢固连接[1]。搅拌摩擦焊具有焊缝成形美观、综合力学性能良好、焊接变形小、绿色环保和无需添加焊材等优点，适用于焊接铝、镁、钛、铜等合金，因此在造船、航空航天及轨道交通等领域得到广泛的推广和应用[2]。

双轴肩搅拌摩擦焊是一种新型的搅拌摩擦焊接方式，该技术采用具有上下轴肩的自支撑搅拌工具，在焊接过程中上下轴肩与搅拌针共同旋转，与被焊材料相互作用而实现材料连接。这种自支撑搅拌工具的使用大大降低了焊接过程中的顶锻压力，提高了诸如曲线型、狭小空腔及筒体等复杂结构件的搅拌摩擦焊接的可操作性，同时节省了制造刚性装置的成本，并从根本上解决了未焊透或根部缺陷等问题[3]。基于上述优点，双轴肩搅拌摩擦焊在轨道交通等行业极具应用前景[4]。在双轴肩搅拌摩擦焊时，由于上下两个轴肩同时与被焊金属摩擦产热，因此在相同焊接参数下，其热输入较常规搅拌摩擦焊的大[5]。采用较低的旋转速度和较高的焊接速度可有效降低热输入。目前，对双轴肩搅拌摩擦焊接头的研究主要集中在显微组织、拉伸性能、显微硬度和弯曲性能方面[6-8]，在疲劳性能方面的研究较少。而接头的疲劳性能研究具有重要工程意义[9-11]，是综合力学性能评估不可或缺的一部分。

6005A-T6铝合金型材是轨道交通行业中车身、地板等结构常用的材料，目前针对该种材料的搅拌摩擦焊，尤其是双轴肩搅拌摩擦焊的研究较少，且未见在较低旋转速度下实现较高速度(>500 mm·min-1)焊接以及接头疲劳性能的研究报道。为此，作者对轨道车辆侧墙用5 mm厚6005A-T6铝合金型材在低旋转速度、高焊接速度下进行了双轴肩搅拌摩擦焊试验，研究了接头的显微组织、拉伸和疲劳性能，以期对双轴肩搅拌摩擦焊技术的工程应用提供指导。

1 试样制备与试验方法

试验材料为6005A-T6铝合金板，尺寸为1 000 mm×300 mm×5 mm，其化学成分见表1，抗拉强度为285 MPa，伸长率为16%。采用航天工程装备(苏州)有限公司生产的二维搅拌摩擦焊设备，装配自主研制的搅拌工具进行双轴肩搅拌摩擦焊接，搅拌工具上下轴肩的直径均为18 mm，搅拌针直径为8 mm，针长4.75 mm。采用对接焊，焊接过程如图1所示。基于前期的工艺参数优化结果，确定焊接时的旋转速度n为400 r·min-1，焊接速度v为600 mm·min-1，在该参数下焊接后接头的抗拉强度较高。

表1 6005A-T6铝合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of 6005A-T6 aluminum alloy (mass) %

图1 焊接过程示意Fig.1 Schematic of welding process

图2 拉伸和疲劳试样尺寸Fig.2 Dimensions of tensile (a) and fatigue (b) specimens

按照ISO 25239-4：2011，在焊接接头上以焊缝为中心、垂直于焊缝方向分别截取金相、拉伸和疲劳试样。金相试样尺寸为30 mm×20 mm×5 mm，经打磨、抛光，用Keller试剂(3 mL硝酸+6 mL盐酸+6 mL氢氟酸+150 mL蒸馏水)腐蚀后，根据ISO 17639：2013，在ZEISS Axio Lab A1型光学显微镜(OM)上观察显微组织。拉伸试样尺寸如图2(a)所示，按照ISO 4136：2011，在CMT5504-5105型电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为3 mm·min-1。疲劳试样尺寸如图2(b)所示，按照ISO 1099：2006，在GPS100型高频疲劳试验机上进行疲劳试验，应力比为0.1，采用正弦加载方式，加载频率为100 Hz，分5个应力等级，应力幅分别为54.05，49.44，45.01，42.75，40.49 MPa，以循环106周次未引起断裂的最大应力作为试验合金的条件疲劳极限。根据ISO 9015-1：2001，用HVS-1000型数显显微硬度计测接头横截面硬度，以焊缝为中心向两侧每隔1 mm取点测试，载荷为2.94 N，保载时间为15 s。用JSM-7001F型扫描电子显微镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)观察拉伸和疲劳断口形貌，分析断口成分。

2 试验结果与讨论

2.1 宏观形貌

由图3可知：焊缝正面、背面成形美观，鱼鳞纹清晰可见，飞边较少，表面无沟槽等缺陷，焊缝中无隧道型孔洞等缺陷；接头由焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材(BM)组成。与常规搅拌摩擦焊接头不同，双轴肩搅拌摩擦焊接头呈“哑铃形”形貌，前进侧热机影响区和热影响区分界线明显，后退侧热机影响区和热影响区过渡较圆滑，分界线不明显，这是因为塑性流动的铝合金随搅拌针从前进侧向后退侧迁移，导致后退侧铝合金受到挤压，界面变得圆滑。

图3 焊缝表面及横截面形貌Fig.3 Surface and cross-section morphology of the weld: (a) front surface; (b) back surface and (c) cross-section

2.2 显微组织

由图4可见：焊核区由细小的等轴晶组成，同时存在大量细小、弥散分布的强化相，这是因为焊核区金属受到搅拌针的剧烈搅拌作用而发生塑性变形，同时在摩擦热的作用下发生再结晶；在热机影响区，由于受到搅拌针周围塑性铝合金的挤压剪切作用，晶粒发生扭曲，后退侧受到的挤压作用更大，晶粒扭曲得更为严重；热影响区距离焊核较远，只受到热循环的影响，因此这个区域的组织与母材的相似，但是晶粒尺寸大于母材的，前进侧和后退侧组织没有明显区别。

图4 焊接接头不同区域的显微组织Fig.4 Microstructures at different zones of the welded joint: (a) base metal; (b) weld nugget; (c,d) heat affected zone and thermo-mechanically affected zone at advancing side and (e,f) heat affected zone and thermo-mechanically affected zone at retreating side

图5 焊接接头横截面显微硬度随距焊缝中心距离的变化曲线Fig.5 Curves of cross-sectional microhardness vs distance from weld center of the welded joint

2.3 显微硬度

由图5可见，接头横截面显微硬度呈“W”形分布，母材硬度最高，为93 HV，热影响区与热机影响区界面处硬度最低，为60 HV，焊核区硬度为65 HV。由于受到热循环的作用，热影响区强化相溶解、晶粒粗化，因此其硬度降低；且距焊缝中心越近，温度越高，硬度越小;硬度在热影响区和热机影响区界面处达到最低值。焊核区金属同时受到热循环和搅拌针的机械搅拌作用，虽然在热循环作用下强化相溶解会导致硬度降低，但是在机械搅拌作用下铝合金发生了动态再结晶，较小的晶粒起到了细晶强化作用，因此与热机影响区相比硬度又有所增大。

2.4 拉伸性能

拉伸试验结果表明：焊接接头的平均抗拉强度为205 MPa，接头系数达到71.9%；接头均在前进侧热机影响区和热影响区界面处发生断裂。热机影响区同时受到搅拌针的搅拌作用和热循环的影响，晶粒被拉长，发生严重变形;而热影响区受到热循环的作用，晶粒发生粗化:二者的组织在形态、大小等方面均存在很大差异。这种组织不均匀性导致应力集中，使得断裂易在热机影响区和热影响区界面处发生。前进侧热影响区和热机影响区组织差异较后退侧的大，因此其界面处是整个接头最为薄弱的区域。

由图6可见：焊接接头拉伸断口中存在大量等轴状韧窝，为典型的韧性断裂；在断口中还可观察到析出相剥离后留下的细小光滑韧窝，存在沿晶断裂特征。

图6 焊接接头拉伸断口SEM形貌Fig.6 SEM micrograph of tensile fracture surface of the welded joint

2.5 疲劳性能

由图7可见，随着最大应力S的降低，焊接接头试样断裂时的循环次数N增大，接头的条件疲劳极限为96.6 MPa。

由图8可以看出，焊接接头疲劳断口上存在裂纹源、扩展区和瞬断区，裂纹源靠近上表面，扩展区呈现明显的疲劳条纹，瞬断区有大量韧窝。在疲劳载荷作用下，裂纹不断扩展使得接头实际承载面积减小，最终导致接头被瞬间拉断，韧窝的存在表明接头最终发生韧性断裂。由表2可知，裂纹源区位置1处含有质量分数为60.27%的碳元素、23.78%的铝元素和15.46%的氧元素，镁、硅含量较低，可见该处为氧化物夹杂。双轴肩搅拌摩擦焊时的热输入较大，导致铝合金表面发生氧化形成氧化物夹杂。