肖　靜，　宮文彪* ，　劉　威，　劉　杰

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012；

2.長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司， 吉林 長(zhǎng)春　130062)

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6005A-T6/6082-T6鋁合金FSW與MIG接頭組織與性能研究

肖靜1，宮文彪1*，劉威1，劉杰2

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130012；

2.長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司， 吉林 長(zhǎng)春130062)

摘要：采用光學(xué)顯微鏡、拉伸試驗(yàn)機(jī)、顯微硬度計(jì)和疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)FSW及MIG焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：FSW焊核區(qū)為細(xì)小的等軸晶，熱機(jī)械影響區(qū)呈現(xiàn)為被拉長(zhǎng)的畸變晶粒，熱影響區(qū)的組織明顯粗化；MIG接頭焊縫區(qū)晶粒為明顯的鑄態(tài)組織，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大情況也比FSW嚴(yán)重。與MIG相比，攪拌摩擦焊焊接(FSW)接頭的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，最小硬度值出現(xiàn)在后進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)；高周疲勞(Nspan>107)時(shí)，F(xiàn)SW的接頭疲勞強(qiáng)度高于MIG接頭疲勞強(qiáng)度，高出約14%。

關(guān)鍵詞：鋁合金; 攪拌摩擦焊； 組織; 力學(xué)性能

0引言

6005A-T6及6082-T6是Al-Mg-Si系中等強(qiáng)度的鋁合金，擠壓成開(kāi)式或閉式型材用于軌道客車(chē)鋁合金車(chē)體的制造。目前,鋁合金車(chē)體制造主要采用MIG焊或TIG焊,其焊接接頭強(qiáng)度較低,約為母材的50%~60%,且產(chǎn)生氣孔、裂紋的傾向性大[1-2]。近年來(lái)，采用攪拌摩擦焊(FSW)進(jìn)行鋁合金焊接成為焊接領(lǐng)域研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)軌道客車(chē)制造業(yè)在高校和研究機(jī)構(gòu)的幫助下開(kāi)始將FSW技術(shù)應(yīng)用于鋁合金車(chē)體部件的制造。研究表明[3-4]，采用FSW焊接的6005A-T6鋁合金接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材的82.5%，6082-T6接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材的78.86%，但對(duì)于兩種不同成分的鋁合金材料FSW連接后的組織結(jié)構(gòu)和性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道，特別是接頭的疲勞強(qiáng)度。

某型地鐵車(chē)輛的枕梁由6005A-T6擠壓型材和6082-T6板材經(jīng)焊接成為閉式箱型梁結(jié)構(gòu)，文中分別采用傳統(tǒng)的MIG焊和FSW工藝進(jìn)行了枕梁的連接，研究了兩種工藝方法接頭的疲勞性能和斷裂機(jī)制，為枕梁部件的設(shè)計(jì)及制造提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1試驗(yàn)方法

為保證焊接條件和將來(lái)的生產(chǎn)一致，試驗(yàn)采用目前生產(chǎn)中使用的12 mm厚度的6082-T6鋁合金板材和6005A-T6鋁合金型材制備FSW及MIG焊接試樣，焊縫長(zhǎng)度為2 700 mm。FSW焊接參數(shù)為：轉(zhuǎn)速750 r/min，焊速200 mm/min，將6005A-T6型材布置在前進(jìn)側(cè)；MIG焊采用目前生產(chǎn)上采用的工藝，焊絲為ER5356，Φ1.2 mm，采用多層多道焊接。焊后用線切割方法切取金相分析和疲勞性能測(cè)試試樣。用EPIPHOT 300金相分析系統(tǒng)分析焊縫的微觀組織結(jié)構(gòu)，拉伸及疲勞試驗(yàn)在日本島津CONROLLER材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，疲勞斷口分析采用JEOL-5600型掃描電鏡，接頭的硬度分布使用FM-700顯微硬度計(jì)，載荷50 g，保載時(shí)間15 s。

疲勞試驗(yàn)依據(jù)GB3075-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用機(jī)械加工方法去掉筋板,并按尺寸加工成疲勞測(cè)試樣品,如圖1所示。

圖1　疲勞試樣形式及尺寸

疲勞試驗(yàn)選取的應(yīng)力比R=0.1，加載方向與焊縫方向垂直，載荷為恒幅正弦加載波形，通過(guò)試驗(yàn)確定名義應(yīng)力范圍Δσ-N曲線和在1×107次循環(huán)時(shí)不發(fā)生疲勞斷裂的Δσ為疲勞特征強(qiáng)度，作為評(píng)定兩種焊接接頭疲勞性能的依據(jù)。試驗(yàn)前使用1000#的金相砂紙將試樣兩邊打磨光滑，以消除試樣邊緣機(jī)械加工缺陷對(duì)疲勞行為的影響。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　接頭組織形貌

經(jīng)過(guò)腐蝕后的FSW焊接接頭的低倍形貌如圖2所示。

圖2　FSW接頭宏觀形貌

由圖2可以看出，在機(jī)械攪拌力和摩擦熱的共同作用下，處于熱塑性狀態(tài)的6005A-T6和6082-T6鋁合金形成了倒三角形形貌，和攪拌針的外形輪廓相似，焊縫的中心可以看到鋸齒狀的界面。這種界面的形成是由于在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩種塑化的材料原子間相互擴(kuò)散結(jié)合在一起，由于兩種材料的成分差異導(dǎo)致耐蝕性能不同而形成。

圖2中A，B和C區(qū)放大后的顯微組織如圖3所示。

(a) FSW前進(jìn)側(cè)微觀形貌

(b) FSW焊核區(qū)微觀形貌

(c) FSW回退側(cè)微觀形貌圖3　FSW接頭微觀形貌

圖中可見(jiàn)各區(qū)存在明顯差異，焊核區(qū)(WNZ)組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了較為細(xì)小的等軸晶組織，此區(qū)域晶粒的平均尺寸約為12.4 μm；熱機(jī)械影響區(qū)(TMAZ)比焊核區(qū)組織粗大一些，這可能是由于TMAZ區(qū)受到攪拌熱和機(jī)械攪拌的共同作用，晶粒長(zhǎng)大并被明顯拉長(zhǎng)。由圖3(a)和(c)可以看到，前進(jìn)的WNZ和TMAZ區(qū)之間的分界線比回退側(cè)明顯，這是由于前進(jìn)側(cè)高溫停留時(shí)間短，靠近軸肩部分的溫度范圍影響較小，并且焊縫金屬塑性流動(dòng)方向與母材金屬流動(dòng)的方向相反，從而使母材金屬與焊縫金屬之間存在較大的變形[5]。

兩種鋁合金MIG焊接接頭的顯微形貌如圖4所示。

(a) MIG焊縫HAZ

(b) MIG熔合區(qū)微觀形貌圖4　MIG接頭微觀形貌

圖4(a)為熱影響區(qū)(HAZ)的微觀組織，焊縫和熱影響區(qū)分界明顯，整體看熱影響區(qū)的組織相對(duì)母材有粗化的趨勢(shì)，但仍能觀察到母材冷軋時(shí)留下的帶狀痕跡；半熔合區(qū)晶界局部熔化,晶界變寬。圖4(b)為焊縫區(qū)組織，由等軸晶和柱狀晶組成，中心區(qū)域?yàn)榧?xì)小的等軸晶，靠近熔合區(qū)附近的焊縫區(qū)域?yàn)榇执蟮闹鶢罹ВЯＦ骄叽缂s為61.4 μm。從上述兩種焊接方法的接頭微觀組織可以看出，由于MIG焊接熱輸入比FSW大，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大情況也比FSW嚴(yán)重。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)采用的6000系熱處理強(qiáng)化鋁合金，熔化焊方法會(huì)使接頭的過(guò)時(shí)效軟化傾向高于FSW接頭。

2.2　接頭力學(xué)性能

MIG和FSW接頭的硬度分布曲線如圖5所示。

(a) FSW接頭

(b) MIG接頭圖5　焊接接頭橫向硬度分布曲線

圖中坐標(biāo)原點(diǎn)為焊縫中心。從圖中可以看出，F(xiàn)SW接頭的硬度沿焊縫截面近似W型分布，焊縫的硬度特別是HAZ區(qū)域較兩種母材均有較大幅度降低，位于后退側(cè)的6082-T6鋁合金一側(cè)熱影響區(qū)硬度下降幅度高于前進(jìn)側(cè)的6005A-T6鋁合金，焊縫中心的硬度較高，應(yīng)該是焊核區(qū)晶粒細(xì)化的結(jié)果。硬度分布與靜載拉伸和疲勞試樣的斷裂位置相吻合。大量研究表明[6-7]，對(duì)于同種材料的鋁合金FSW接頭，拉伸斷裂均出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)，但本實(shí)驗(yàn)斷裂出現(xiàn)在位于后退側(cè)的6082-T6合金一側(cè)HAZ區(qū)域，這與焊接的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。6005A-T6一側(cè)為型材，其結(jié)構(gòu)形式有利于散熱，而6082-T6一側(cè)為板材，其散熱條件不如型材一側(cè)，使得6082-T6一側(cè)熱量累積導(dǎo)致HAZ軟化較為嚴(yán)重。MIG接頭HAZ硬度較兩側(cè)的母材均有較大幅度下降，硬度下降幅度高于FSW方法。

2.3　焊接接頭的疲勞性能

FSW和MIG焊接頭的S-N曲線如圖7所示。

圖6　FSW及MIG的S-N曲線

在Nf=1×107次循環(huán)條件下，F(xiàn)SW和MIG接頭的疲勞強(qiáng)度分別為146，125 MPa，F(xiàn)SW的S-N曲線比MIG焊的變化更為平緩，在長(zhǎng)壽命區(qū)(≥107)FSW的疲勞強(qiáng)度增加更顯著。另外，從FSW和MIG焊接頭在不同應(yīng)力水平下的疲勞強(qiáng)度分布也可看出，F(xiàn)SW接頭在相同的應(yīng)力水平下疲勞壽命值比較集中，而MIG接頭的分散度較大，這和接頭的形態(tài)及組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。FSW焊縫沒(méi)有填充金屬，不存在熔焊接頭易產(chǎn)生的氣孔、裂紋等缺陷，應(yīng)力集中的影響顯著降低。另外，其組織結(jié)構(gòu)較MIG焊接頭也均勻細(xì)小，對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展阻礙作用較強(qiáng)。

2.4　疲勞斷口分析

FSW接頭疲勞斷口的SEM形貌如圖7所示。

在整個(gè)斷口形貌中，未發(fā)現(xiàn)明顯的疏松等缺陷，疲勞斷口保留有整個(gè)斷裂過(guò)程的所有痕跡，分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)以及瞬時(shí)斷裂區(qū)。本實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)SW的疲勞源起源于焊縫表面，經(jīng)XPS分析為FSW焊接時(shí)卷入的較大尺寸的氧化膜。對(duì)于MIG，其焊縫為柱狀晶組織，力學(xué)性能表現(xiàn)為各向異性，裂紋在擴(kuò)展時(shí)除向主應(yīng)力方向進(jìn)行外，也會(huì)沿枝晶薄弱面方向擴(kuò)展，而FSW接頭裂紋擴(kuò)展只沿主應(yīng)力方向。因此表現(xiàn)為在相同的載荷下MIG的裂紋擴(kuò)展速率要高于FSW方法，在相同的應(yīng)力水平下循環(huán)次數(shù)低于FSW方法。在瞬斷區(qū)有大量的細(xì)小的韌窩存在，表明試樣的最后斷裂方式為塑性斷裂。攪拌摩擦焊過(guò)程中攪拌頭的攪拌對(duì)材料起到了晶粒細(xì)化的作用，因此,FSW焊縫阻止循環(huán)滑移帶的形成和裂紋開(kāi)裂的能力更強(qiáng)。

圖7FSW斷口形貌

3結(jié)語(yǔ)

1)6005A-T6和6082-T6FSW采用FSW和MIG焊獲得的接頭組織存在明顯差異，F(xiàn)SW接頭為等軸晶，平均晶粒尺寸為12.4 μm，MIG主要為柱狀晶組織，平均晶粒尺寸為61.4 μm。

2)FSW和MIG焊兩種方法獲得的接頭均有不同程度的軟化，F(xiàn)SW接頭的硬度下降要低于MIG焊，硬度最低點(diǎn)出現(xiàn)在后退側(cè)6082-T6鋁合金一側(cè)。

3)高周疲勞時(shí)，即循環(huán)壽命(Nf)大于1×107時(shí)，F(xiàn)SW的接頭疲勞強(qiáng)度比MIG接頭高出14%，疲勞斷裂發(fā)生在6082-T6一側(cè)的熱影響區(qū)。

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Microstructure and properties of 6005A-T6/6082-T6

aluminum alloy welded MIG and FSW joints

XIAO Jing1,GONG Wen-biao1*,LIU Wei1,LIU Jie2

(1.School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;

2.Changchun Railwa Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China)

Abstract：Microstructure and mechanical properties of MIG and Friction stir welded 6005A-T6 and 6082-T6 aluminum alloy were investigated by optical microscope, tensile tester, Vickers hardness tester and fatigue and fatigue tester. The result show that the nugget zone(NZ) has a fine equiaxed grain structure, the grain in the thermo-mechanical affected zone(THAZ) have been elongated, The grains are obviously grew up in the heat affected zone(HAZ). The weld metal zone of MIG is casting microstructure, and the growth of the HAZ is serious than that of FSW. Compared to MIG, the tensile strength of the joints welded by FSW is relatively higher and the lowest hardness appeared in the HAZ of retreating side, the fatigue strength of the FSW joints is about 14% higher than that of MIG.

Key words：aluminum alloy; Friction Stir Welding (FSW); microstructure; mechanical properties.

作者簡(jiǎn)介：肖靜(1989-)，女，漢族，黑龍江佳木斯人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事FSW焊接接頭的疲勞行為研究,E-mail:seashelljing@sina.com. *通訊作者：宮文彪(1966-)，男，漢族，吉林梅河口人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事材料先進(jìn)連接技術(shù)和表面熱噴涂改性方向研究,E-mail:gwbiao@sina.com.

基金項(xiàng)目：吉林省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(20100362); 長(zhǎng)春市科技攻關(guān)重大項(xiàng)目(13KG19)

收稿日期：2014-10-14

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2015)01-0001-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.01