摘要：

對(duì)4.5 mm厚6005A-T6鋁合金型材對(duì)搭接FSW接頭研究其組織與力學(xué)性能。研究表明，F(xiàn)SW接頭成形良好，焊核內(nèi)部沒(méi)有缺陷；焊核區(qū)“S"線呈現(xiàn)不連續(xù)分布狀態(tài)，焊核區(qū)為再結(jié)晶后細(xì)小等軸晶粒，熱影響區(qū)的強(qiáng)化相在高溫影響下析出形成接頭“軟化區(qū)"；拉伸試驗(yàn)表明，接頭斷裂于熱影響區(qū)，抗拉強(qiáng)度為256 MPa，達(dá)到母材的84%；彎曲試驗(yàn)表明，接頭彎曲性能合格；硬度試驗(yàn)表明，接頭硬度值為69HV，整個(gè)焊接接頭區(qū)域硬度值較為平均，無(wú)明顯波動(dòng)起伏；脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)測(cè)得接頭的中值疲勞強(qiáng)度為97 MPa；適當(dāng)提高鋁合金FSW焊接速度，不僅可以優(yōu)化接頭力學(xué)性能，而且可顯著提高焊接生產(chǎn)效率，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有十分重要的意義。

引言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型固相連接技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于鋁、鎂等輕型合金的焊接。近幾年，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于輕軌、地鐵、城域列車及高速列車車體領(lǐng)域。單軸肩攪拌摩擦焊也廣泛應(yīng)用于軌道車輛中。在FSW焊接時(shí)，軸向載荷較大，為實(shí)現(xiàn)施焊過(guò)程中的剛性固定問(wèn)題，利用中空型材的搭接面代替背襯墊板；此外，焊接時(shí)可能產(chǎn)生飛邊使焊縫減薄，因此設(shè)置了凸臺(tái)部分來(lái)彌補(bǔ)材料損失。基于上述焊接需求，對(duì)地鐵側(cè)墻的裝配焊接，中空鋁合金型材對(duì)搭接接頭就成為優(yōu)選接頭形式。目前，對(duì)于6xxx系鋁合金FSW報(bào)道的結(jié)果中，大多數(shù)采用<1000 mm/min的較低焊接速度。焊接速度已成為制約攪拌摩擦焊部件生產(chǎn)的最大瓶頸。本文采用優(yōu)化后的攪拌頭在提高轉(zhuǎn)速與焊接速度條件下，對(duì)6005A-T6鋁合金對(duì)搭接接頭進(jìn)行攪拌摩擦焊，并對(duì)接頭微觀組織和相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行表征分析。

1 試驗(yàn)方法與過(guò)程

試驗(yàn)材料：厚4.5 mm的6005A-T6地鐵薄壁鋁合金型材，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：Si 0.59，Mg 0.57，F(xiàn)e 0.18，Mn 0.12，Cu 0.09，Zn 0.02，Cr 0.01，Ti 0.01，Al余量。力學(xué)性能實(shí)測(cè)值為：屈服強(qiáng)度224 MPa，抗拉強(qiáng)度302 MPa，斷后伸長(zhǎng)率6%。

６００５Ａ－Ｔ６ 鋁合金ＦＳＷ 對(duì)搭接接頭尺寸試樣圖

焊接工藝： 選用優(yōu)化后的攪拌頭，單軸肩攪拌摩擦焊設(shè)備，焊接速度1100 mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度1500 r/min，前傾角1.5°，裝配間隙0 mm，錯(cuò)邊量≤0.3 mm。坡口形式為I形，t1=t2=4.5 mm。

檢測(cè)與試驗(yàn)：

外觀檢查與滲透檢測(cè)，符合ISO 25239-5:2011標(biāo)準(zhǔn)。

金相觀察：DMi8-Leica數(shù)碼金相顯微鏡。

拉伸試驗(yàn)：WDW-3300電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，5 mm/min應(yīng)變速率，室溫。

彎曲試驗(yàn)：20 mm/min彎曲速率，2個(gè)面彎+2個(gè)背彎。

硬度試驗(yàn)：FM-700維氏硬度儀，500 g載荷，保壓15 s，沿焊縫中心線每隔0.5 mm打點(diǎn)。

疲勞試驗(yàn)：PLG-100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，循環(huán)應(yīng)力比0.1，壽命1×10?次，按GB/T 13816-1992標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 金相組織分析

接頭宏觀形貌： 焊核區(qū)金屬塑性成形良好，無(wú)hook缺陷；“S"線斷續(xù)存在，痕跡較淺；搭接面間隙約0.33 mm。

母材組織：晶粒沿軋制方向拉長(zhǎng)，強(qiáng)化相彌散分布，存在β″沉淀相。

熱影響區(qū)（HAZ）：晶粒粗化，析出β′（Mg?Si）相，因過(guò)時(shí)效導(dǎo)致軟化。

熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）：晶粒被拉長(zhǎng)、變形，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶明顯。

焊核區(qū)（NZ）：細(xì)小等軸晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶充分，無(wú)缺陷。

接頭宏觀照片

ＦＳＷ 接頭顯微組織

2.2 拉伸試驗(yàn)

結(jié)果：接頭平均抗拉強(qiáng)度256 MPa，為母材的84%；斷裂位置在HAZ，斷口為韌性斷裂（等軸韌窩）。

原因： HAZ晶粒粗大、析出相增多，屈服強(qiáng)度降低。

ＦＳＷ 接頭室溫拉伸試件宏觀照片

ＦＳＷ 接頭拉伸試件的斷口形貌

2.3 彎曲試驗(yàn)

結(jié)果：面彎和背彎試件彎曲角達(dá)180°，無(wú)裂紋，彎曲性能合格。

ＦＳＷ 接頭彎曲宏觀照片

2.4 硬度試驗(yàn)

硬度分布：呈“W"形，HAZ（69 HV），焊核區(qū)75-89 HV，整體波動(dòng)小。前進(jìn)側(cè)TMAZ硬度略高于后退側(cè)（機(jī)械攪拌更強(qiáng)烈）。

ＦＳＷ 接頭顯微維氏硬度分布

2.5 疲勞試驗(yàn)

中值疲勞強(qiáng)度：97 MPa（1×10?次循環(huán)）。

斷裂位置：高應(yīng)力（150 MPa）時(shí)斷于焊核（搭接面間隙0.33 mm為薄弱區(qū)）；低應(yīng)力時(shí)斷于母材圓弧過(guò)渡處。

斷口形貌：

高應(yīng)力焊核斷口：?jiǎn)⒘褏^(qū)為45°斜向撕裂棱，擴(kuò)展區(qū)為河流狀準(zhǔn)解理，終斷區(qū)為韌窩（韌性斷裂）。

低應(yīng)力母材斷口：?jiǎn)⒘言从趦?nèi)部夾雜，擴(kuò)展區(qū)為致密疲勞條紋，終斷區(qū)為深韌窩（典型疲勞斷裂）。

ＦＳＷ 接頭疲勞試驗(yàn)Ｓ－Ｎ 曲線

部分接頭脈動(dòng)拉伸疲勞試件宏觀照片

ＦＳＷ 接頭疲勞試件ＧＪ－１ 斷口形貌

ＦＳＷ 接頭疲勞試件ＧＪ－２ 斷口形貌

3 結(jié)論

1. 組織特征：接頭無(wú)缺陷，母材纖維狀晶粒，HAZ晶粒粗化，TMAZ晶粒變形，NZ為細(xì)小等軸晶。

2. 力學(xué)性能：焊接速度1100 mm/min下，接頭抗拉強(qiáng)度256 MPa（母材84%），彎曲180°無(wú)裂紋，硬度69 HV，疲勞強(qiáng)度97 MPa。

3. 優(yōu)化意義：提高焊接速度可兼顧性能與效率，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要價(jià)值。