20mm厚6082-T6铝合金牵引梁高速搅拌摩擦焊工艺研究

邓清洪

湖南煌星华科技有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

近年来，我国轨道交通行业快速发展，城市地铁需求量不断上升。为达到轻量化的目的，车体材料大部分采用铝合金制造，少数为不锈钢制造[1]。铝合金材料常见的焊接方法为熔化焊，如MIG、TIG等，但熔化焊方法焊接铝合金存在焊后接头热影响区强度大幅降低，容易产生气孔、夹杂、热裂纹等缺陷，以及生产成本高、劳动环境差等问题。

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英国焊接研究所于1991年针对低熔点金属发明的一项新型固相焊接方法。该焊接方法是在传统摩擦焊基础上发明的第三体摩擦焊技术，其具有一系列技术优势，如：可避免熔化焊的缺陷、焊接接头力学性能好、焊接变形小、过程绿色环保、劳动条件好、成本低和生产效率高等[2，3]。该技术在长直型材拼接、水冷密封、铸铝焊接、异种金属焊接和厚板焊接等领域具有更加显著的优势。城市列车牵引梁位于车体底架部位，是车厢之间连接的重要承载结构件，也是车体最关键的焊接零部件。常规采用MIG焊时，存在焊接效率低，易产生气孔、热裂纹等缺陷，以及人工和无损检测成本高昂等现实问题。

目前，国内外学者针对牵引梁等厚板展开了一系列的研究和工程化应用工作。如：何广忠等[4]成功实现了35mm铝合金厚板单面一次成形的搅拌摩擦焊焊接，并在动车组车体制造中进行了首次应用并实现批量生产；孙景朋[5]研究了搅拌摩擦焊技术在高速动车组铝合金车钩座上的应用及性能测试，完善了搅拌摩擦焊的质量标准及检验方法；吴志明[6]采用熔化极惰性气体保护焊和搅拌摩擦焊不同工艺所对应的城轨车辆枕梁以及车钩板的接头设计，并对这两种焊接工艺及其对应接头的力学性能作了对比研究；邓清洪[7]对板厚为42mm的6082-T6铝合金车钩座型材进行了双面搅拌摩擦焊工艺研究，结果表明：在转速为600r/min，焊接速度为120mm/min的焊接参数下，获得了表面成形美观、无缺陷的双面搅拌摩擦接头，接头的抗拉强度达239MPa。宫文彪等[8]采用搅拌摩擦焊对84mm厚的6082-T4铝合金进行双面对接焊接，并研究了沿板厚方向焊接接头的微观组织与力学性能变化。综上所述，采用搅拌摩擦焊焊接牵引梁是最为理想的焊接方法[9，10]。

本文以城轨车牵引梁中间主焊缝20mm厚6082-T6铝合金为研究对象，以探索铝合金厚板高速搅拌摩擦焊工艺为方向，以提高焊接效率和接头力学性能为目的，为进一步促进结构轻量化和工程化应用提供技术支撑。

2 试验材料与方法

试验用材料为20mm厚的6082-T6铝合金板材，具体尺寸为500mm×200mm×20mm，其化学成分和力学性能分别见表1、表2。

表1 6082-T6铝合金化学成分（质量分数） （%）

表2 6082-T6铝合金母材实测力学性能

搅拌摩擦焊所使用的设备为湖南煌星华科技有限公司龙门式二维搅拌摩擦焊生产型设备，铝合金单面焊接厚度为3～25mm。焊接所使用的刀柄和搅拌头均采用厚板高速焊专制研发的工具。搅拌头结构采用轴肩与搅拌针分体式设置，轴肩特征为圆锥内凹特征，轴肩尺寸为φ28mm，搅拌针特征为圆锥“螺纹+三切面”特征，针长为11～16mm，且连续可调。

本试验采用控制变量法研究焊接参数对接头组织及力学性能的影响，试验所采用的焊接参数见表3。

表3 试验所采用的焊接参数

搅拌摩擦焊接完成后对试件进行PT、RT无损检测，结果零缺陷，均为合格。然后制取金相试样、拉伸试样和弯曲试样，取样标准参照ISO 25239：2011《搅拌摩擦焊－铝合金》。金相试样制备所使用的腐蚀液为浓度10%的氢氧化钠溶液。拉伸和弯曲性能测试在Instron-5900拉伸试验机上进行，拉伸应变速率为1×10-3s-1。采用日立公司生产的HITACHI-S4800扫描电子显微镜对拉伸试样断裂表面形貌进行观察。

3 试验结果及分析

3.1 宏观形貌特征

20mm厚6082-T6铝合金双面焊焊缝表面宏观形貌如图1所示。从图1可以看出，焊缝成形美观，焊缝表面光亮，除了起焊位置搅拌针下压挤出的飞边外，焊缝其余部分无飞边，焊缝表面纹路均匀，无过热毛刺与表面焊接缺陷。

图1 焊缝表面宏观形貌

20mm厚6082-T6铝合金双面搅拌摩擦焊接头焊缝横截面宏观金相如图2所示。由图2可以看出，3组参数焊缝横截面宏观金相整体形貌无明显区别，无宏观缺陷，焊缝表面基本无减薄。焊核区（Nugget Zone，NZ）整体形貌呈现“哑铃形”特征，正反面焊缝存在一定厚度的重叠区，并且在NZ区无“S”线残留。

图2 焊缝横截面宏观金相

3.2 显微硬度分布

20mm厚6082-T6铝合金双面搅拌摩擦焊接头显微硬度沿焊缝横截面上部、中部和下部的分布曲线如图3所示。整体看，沿焊缝横截面方向显微硬度曲线分布形态呈“W”形特征，上部、中部、下部三条分布曲线的变化规律基本相同，并且硬度分布存在明显的性能梯度。接头热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）为接头硬度最低区域，此区域为接头力学性能最薄弱的区域。由于前进侧材料受到搅拌头更加剧烈的热-力影响，所以前进侧整体硬度水平相比后退侧略低。在焊缝热影响区前进侧和后退侧均有不同程度的软化，接头存在两个硬度软化区，分别是位于前进侧的热机影响区（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和HAZ。由于回复再结晶形成了均匀细小的等轴晶，NZ硬度水平相比TMAZ和HAZ整体更高。横截面中部区域由于只受到搅拌针的热力影响作用，整体硬度水平相对上部和下部高些，同时硬度软化区域范围相对更窄。

图3 焊缝横截面显微硬度分布曲线

3.3 拉伸及弯曲力学性能分析

20mm厚6082A-T6铝合金双面搅拌摩擦焊接头拉伸力学性能结果如图4所示。由图4可知，随着焊接速度的增加（焊接热输入逐渐降低），接头的抗拉强度呈逐渐上升的趋势，在转速-焊接速度组合分别为600r/min-450mm/min、600r/min-550 mm/min、600r/min-650mm/min的焊接参数下，接头的抗拉强度分别为238.0MPa、246.0MPa、256.5MPa，达到母材强度值的74.3%、76.9%、80.5%。如图5所示，接头拉伸断裂位置均发生在前进侧HAZ。对接头拉伸断裂表面进行扫描电镜（SEM）分析，断裂表面由大量的韧窝聚集组成，为典型韧性断裂特征，如6所示。

图4 接头拉伸力学性能

图5 拉伸断裂位置

图6 拉伸断裂表面SEM照片

根据上述拉伸力学性能结果可以看出，突破传统厚板搅拌摩擦焊工艺，高速焊接可以降低焊接热输入，从而降低接头HAZ过时效程度和HAZ宽度，最终提高接头的抗拉强度，为结构进一步轻量化提供更大的设计空间。该结论在孟腾逸等[9]研究成果中也等到了相应的证实。

20mm厚6082-T6铝合金双面搅拌摩擦焊接头侧弯后试件宏观形貌如图7所示。由图7可看出，所有接头弯曲到180°不发生断裂，弯曲结果满足ISO 25239：2011标准要求。

图7 侧弯后试件宏观形貌

4 结束语

1）成功制定了20mm厚6082-T6铝合金牵引梁的高速搅拌摩擦焊工艺，最大焊接速度可达650mm/min，相比常规焊接工艺，焊接速度提高了3倍多。

2）保持转速一定，随着焊接速度的增加，接头的抗拉强度呈逐渐上升的趋势。

3）在转速-焊接速度组合分别为600r/min-450mm/min、600r/min-550mm/min、600r/min-650mm/min的焊接参数下，接头的抗拉强度分别为238.0MPa、246.0MPa、256.5MPa，达到母材强度值的74.3%、76.9%、80.5%。

4）接头弯曲到180°，不发生断裂。