返修工艺对6005-T6铝合金型材搅拌摩擦焊接头性能的影响

徐海涛　李静　褚雪峰　陈丽丽　秦志恒

摘要：在相同工艺参数下，对6005-T6铝合金型材双轴肩搅拌摩擦焊接头进行一次返修，并对其疲劳试件断口进行SEM扫描与分析。结果表明：返修后焊接接头的疲劳强度低于未返修焊接接头，随着应力的增大，从低应力区到高应力区，两种接头疲劳强度差异缩小;由升降法计算得未返修焊接接头疲劳极限为101.7 MPa，返修接头疲劳极限为75 MPa。断口分析表明：一次返修后疲劳试件未发现明显缺陷，断裂位置主要集中在母材，启裂区表面平滑，扩展二次裂纹少，疲劳纹清晰且粗大，终断区为韧性断口，可观察到大量浅韧窝。

关键词：6005-T6铝合金型材;双轴肩搅拌摩擦焊;返修接头;疲劳性能

中图分类号：TG457.14 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0102-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.19

0 前言

轨道交通列车为保证连接强度和自身减重，车体结构常采用高强铝合金型材作为轻量化材料[1]。其中6005-T6铝合金型材作为热门材料，常应用在车体侧墙等结构上[2]。双轴肩搅拌摩擦焊大量应用于复杂环境下的铝合金薄板焊接，其焊接过程产生的重复摩擦热可能在焊接接头局部产生软化效应，影响其抗疲劳性能，威胁铝合金构件的实用性和安全性[3]。因此在焊接生产过程中，若检测出超过许可范围的焊接缺陷（如隧道、未焊合等），可以考虑通过返修工艺来消除[4-5]。

本试验采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺对6005-T6铝合金焊接接头进行一次返修处理，并对疲劳断口进行SEM扫描分析，以确定返修工艺对6005-T6铝合金型材搅拌摩擦焊接头疲劳性能的影响。

1 试验材料及试验方法

6005-T6铝合金型材尺寸为800 mm×500 mm×40 mm，其中40 mm是中空型材整体厚度，材料自身板厚为3 mm。试验时去除中间筋板，取型材单侧板的焊接接头加工成拉伸及疲劳试件，试验材料的主要化学成分及力学性能如表1所示。

双轴肩搅拌摩擦焊工艺参数为：搅拌头转速650 r/min，焊接速度400 mm/min。对返修试板进行外观、渗透、射线和金相检测，结果均为合格，未发现缺陷。

参照ISO4136-2001标准，在WDW-300kN微控电子万能试验机上进行拉伸试验;参照GB/T13816-92标准，在型号为PLG-100的高频疲劳试验机上进行疲劳试验。循环应力比取R=0.1，指定疲劳寿命取1×107次，静态负荷和动态负荷精度控制在±1%以内，采用升降法来计算焊接接头的中值疲劳强度，使用JSM-6360M型扫描电镜对疲劳试件断口形貌进行SEM分析。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸试验结果及分析

一次返修的焊接接头室温拉伸试验结果如表2所示。可见尽管对接试板板厚为3 mm，但接头区域实际厚度大于3 mm，平均达到约3.5 mm，这是因为搅拌摩擦焊属于固态相变过程，在较高的摩擦热输入下，焊核区存在大量变形的热塑性金属，其冷却成型后体积膨胀，导致焊核区域较母材试板更厚，因此按照焊后接头体积膨胀后的厚度（大于3 mm）计算抗拉接头强度。依据ISO15614-2标准，接头抗拉强度Rm（W）应满足要求：Rm（W）≥Rm（pm）×T，其中，Rm（pm）为材料母材抗拉强度的最低规定值，T代表焊接接头强度系数。对于6005-T6铝合金型材双搅拌摩擦焊来说，T=0.7，依据表1可知，Rm（pm）=250 MPa，返修接头Rm（W）/Rm（pm）=0.79，未返修接头Rm（W）/Rm（pm）=0.84，两种接头强度系数均大于0.7，符合标准要求。返修接头平均屈服强度为170.25 MPa，未返修接头为179.75 MPa，返修后焊接接头抗拉强度和屈服强度均略微降低，说明返修工艺会对双轴肩搅拌摩擦焊接头强度造成一定损失。

所有拉伸试件多断于热影响区，这是由于6005-T6属于可热处理强化铝合金，尽管返修接头无缺陷，但轴肩与工件表面剧烈摩擦，多次热循环作用破坏了人工时效平衡后的强化态组织，使接头韧性下降，导致热影响区存在软化现象，成为接头损伤敏感度较高的薄弱环节。

2.2 疲劳试验结果及分析

通过升降法确定双轴肩搅拌摩擦焊6005-T6铝合金返修接头指定寿命为1×107次下的疲劳极限升降图如图1所示。

通过以上的数据分析，对比6005-T6铝合金型材返修试件脉动拉伸疲劳的中值S-N曲线，如图2所示。

由图2可知，指定循环寿命为1×107次时，返修焊接接头中值疲劳极限强度σ0.1为75 MPa，未返修焊接接头中值疲劳强度为101.7 MPa。返修接頭疲劳强度明显低于未返修接头，其原因在于双轴肩搅拌摩擦焊接头返修是在原有焊缝上进行的，二次热循环作用降低了接头的整体疲劳强度性能。两种接头疲劳试件断裂位置均位于母材，焊接接头未表现出对疲劳裂纹的敏感性。

2.2.3 疲劳断口扫描分析

JSM-6360LV型扫描电镜SEM结果如图3所示，观察发现返修后接头的疲劳断口形貌与未返修试件相似。扫描图像显示：宏观放大启裂区（见图3a、3b）和扩展区（见图3c）的疲劳裂纹源多位于试件侧边缘位置（大多数母材区和少量热影响区），位于焊核区的疲劳裂纹较少;疲劳瞬断断口表面平整，为脆性断裂，具有典型的疲劳断裂特征;疲劳纹展开后细小密集，随循环次数增加而扩展延伸;终断区（见图3d）断口呈韧窝型纤维状，为典型韧性断口。

3 结论

（1）6005-T6铝合金型材返修焊接接头强度系数为0.79，未返修焊接接头强度系数为0.84，返修接头平均强度达到196.75 MPa，二次热循环使焊接接头热影响区存在软化现象。

（2）指定寿命为1×107次的返修接头的中值疲劳极限强度σ0.1为75 MPa，未返修接头的中值疲劳极限强度σ0.1为101.7 MPa，返修接头疲劳极限降低较大，返修工艺对焊接接头疲劳强度影响较明显。

（3）6005-T6铝合金型材双轴肩搅拌摩擦焊返修接头疲劳试件多断于母材区域，返修后的焊接接头焊核区未表现出对疲劳裂纹的敏感性。

参考文献：

[1] 侯振国，钮旭晶，李充，等. 搅拌摩擦焊技术在高速列车制造中的应用[J]. 电焊机，2018，48（3）：32-36.

[2] 吴海旭，杨丽，王周兵，等. 我国轨道交通车辆用铝型材发展现状[J]. 轻合金加工技术，2014，42（1）：18-20.

[3] 耿涛，许鸿吉，宗桓旭，等. 不同返修次数对6082-T6铝合金对接接头疲劳性能的影响[J]. 电焊机，2017，47（8）：84-86.

[4] 刘鑫，杜会桥，姜坤. 返修焊对5B70铝合金焊接接头组织和性能的影响[J]. 焊接技术，2016，45（12）：32-35.

[5] 余仁忠，刘雄，丁杰，等. 动车组铝合金柜体裙边安装座返修焊接工艺研究[J]. 机械工程师，2016（12）：255-257.