中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司(130062)

張欣盟 何廣忠 張 行 毛一偉

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(150001)

王相國(guó) 劉會(huì)杰

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6005A鋁合金型材攪拌摩擦焊未焊合缺陷的攪拌摩擦補(bǔ)焊研究

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司(130062)

張欣盟 何廣忠 張 行 毛一偉

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(150001)

王相國(guó) 劉會(huì)杰

攪拌摩擦焊未焊合缺陷多存在于焊縫根部，在受力加載時(shí)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)生破壞。首先選用不同針長(zhǎng)的攪拌頭在軌道車輛常用的6005A鋁合金型材基體上，進(jìn)行不同長(zhǎng)度尺寸根部未焊合缺陷的制備。在此基礎(chǔ)上，研究了攪拌摩擦焊接方法對(duì)上述不同未焊合缺陷的補(bǔ)焊效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定工藝參數(shù)下，通過(guò)改變攪拌頭針長(zhǎng)尺寸可以制備不同長(zhǎng)度尺寸的未焊合缺陷。并通過(guò)焊縫表面成形、內(nèi)部成形以及原始未焊合缺陷所在位置的微觀組織和拉伸測(cè)試分析表明，未焊合缺陷尺寸越大對(duì)應(yīng)的焊縫拉伸性能越低。但不同尺寸的未焊合缺陷在經(jīng)過(guò)攪拌摩擦補(bǔ)焊后都能完全消失，且補(bǔ)焊接頭性能與最優(yōu)攪拌摩擦焊接頭的性能相當(dāng)，證明了攪拌摩擦補(bǔ)焊方法對(duì)于消除未焊合缺陷的有效可行性。

鋁合金型材 未焊合缺陷 攪拌摩擦補(bǔ)焊

0 序 言

作為一種固相焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊(Friction stir welding，F(xiàn)SW)的焊接溫度一般低于被焊材料的熔點(diǎn)，從而可以避免因材料熔化而產(chǎn)生的氣孔、裂紋、變形等缺陷。由于FSW的優(yōu)質(zhì)高效、低能耗無(wú)污染、焊接變形小、焊縫性能優(yōu)異，以及焊接過(guò)程無(wú)煙塵、弧光、飛濺、合金燒蝕，并且不需要焊劑、填充材料等顯著優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)經(jīng)過(guò)10多年的研究發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了航空、航天等領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用[1-2]，并已成為軌道客車鋁合金車體制造焊接技術(shù)的主流發(fā)展趨勢(shì)[3-5]。

FSW技術(shù)為純機(jī)械化的焊接技術(shù)，其過(guò)程是通過(guò)類似于機(jī)械加工的機(jī)床運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，焊接過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定。但在實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中，常受工件尺寸精度、組配效果、攪拌頭磨損狀況等因素影響，導(dǎo)致焊縫根部未焊合缺陷的產(chǎn)生。因該類缺陷存在于焊縫根部，在受力加載時(shí)，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)生破壞。因此，如何對(duì)攪拌摩擦焊未焊合缺陷的高質(zhì)量修復(fù)實(shí)際意義顯著。迄今，關(guān)于此方面的研究已有報(bào)道，但大多是圍繞平板對(duì)接接頭進(jìn)行[6-7]，而針對(duì)軌道客車鋁合金車體常采用的中空擠壓型材對(duì)搭接復(fù)合接頭形式的研究還未見(jiàn)報(bào)道。為此，文中首先通過(guò)選用不同針長(zhǎng)的攪拌頭在軌道車輛常用的6005A-T6鋁合金中空擠壓型材基體上，進(jìn)行不同長(zhǎng)度尺寸根部未焊合缺陷制備。在此基礎(chǔ)上通過(guò)焊縫表面成形、內(nèi)部成形以及原始未焊合缺陷所在位置的微觀組織和拉伸測(cè)試，對(duì)攪拌摩擦補(bǔ)焊的效果進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為6005A-T6鋁合金中空擠壓型材，焊縫位置的型材壁厚為4.7 mm，型材整體高度為30 mm。FSW焊縫接頭為對(duì)搭接復(fù)合接頭形式。試驗(yàn)材料結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。該材料的室溫抗拉強(qiáng)度為290 MPa。

圖1 試驗(yàn)用鋁合金中空擠壓型材示意圖

采用內(nèi)凹軸肩端面、攪拌針側(cè)面開(kāi)有錐狀螺紋的攪拌頭進(jìn)行未焊合缺陷的制備。其中將攪拌頭結(jié)構(gòu)參數(shù)表述為“D×d×L×”形式，D，d和L分別表示攪拌頭軸肩直徑、攪拌針根部直徑和攪拌針長(zhǎng)度，其后數(shù)字“×”表示對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)處的具體數(shù)值，其單位為mm。通過(guò)使用不同針長(zhǎng)的攪拌頭進(jìn)行不同尺寸的未焊合缺陷制備。具體的攪拌頭尺寸和制備工藝參數(shù)見(jiàn)表2～3。為對(duì)比分析，其中編號(hào)為0的攪拌頭用于制備沒(méi)有未焊合缺陷的優(yōu)質(zhì)接頭。采用軸肩端面螺形槽、攪拌針側(cè)面開(kāi)有錐狀雙螺紋的攪拌頭D24d9.0L4.5對(duì)所制備的不同尺寸未焊合試樣進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 試驗(yàn)用鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 制備未焊合缺陷及修補(bǔ)所用的攪拌頭

表3 未焊合缺陷制備及補(bǔ)焊所用工藝參數(shù)

采用拉伸測(cè)試方法評(píng)價(jià)補(bǔ)焊接頭的力學(xué)性能。由于型材不同部位的板厚存在較大差異，為了充分反映補(bǔ)焊工藝對(duì)補(bǔ)焊接頭力學(xué)性能的影響，制備如圖2所示的非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。同時(shí)為保留中空擠壓型材結(jié)構(gòu)的完整性，直接體現(xiàn)焊縫拉伸強(qiáng)度，保留了如圖2b所示尺寸為10 mm的焊縫背部結(jié)構(gòu)尺寸。

圖2 拉伸試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 攪拌摩擦焊未焊合接頭的微觀組織

采用上述攪拌頭和工藝參數(shù)制備的未焊合缺陷如圖3所示，其中缺陷垂直高度分別達(dá)到0.2 mm，0.7 mm 和1.2 mm。從圖3可以看出，在相同工藝條件下，通過(guò)調(diào)整攪拌針長(zhǎng)度可有效控制未焊合缺陷的尺寸。其中，隨著攪拌針長(zhǎng)度的縮短，焊縫根部未焊合缺陷長(zhǎng)度隨之變大。這主要是因?yàn)樵跀嚢枘Σ梁负附舆^(guò)程中攪拌針直接扎入待焊焊縫內(nèi)部并對(duì)塑化金屬產(chǎn)生攪拌轉(zhuǎn)動(dòng)作用;當(dāng)攪拌針長(zhǎng)度較短時(shí)，其底部未受到攪拌針作用的區(qū)域增多，從而導(dǎo)致焊縫根部未焊合缺陷尺寸的增大。

圖3 不同尺寸未焊合缺陷攪拌摩擦焊接接頭組織

2.2 攪拌摩擦補(bǔ)焊焊縫形貌

補(bǔ)焊接頭的焊縫表面成形、內(nèi)部成形以及原始未焊合缺陷所在位置的微觀組織分別如圖4～5所示。由圖5可知，無(wú)論原始的未焊合缺陷尺寸多大，在經(jīng)過(guò)FSW補(bǔ)焊后，焊縫表面成形美觀，原始未焊合缺陷完全消失，其所在位置已被新的、致密的FSW焊縫所取代。

由此可以看出，在合理選用攪拌頭及對(duì)應(yīng)的優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，可實(shí)現(xiàn)不同尺寸未焊合缺陷的修復(fù)。因通過(guò)較大尺寸軸肩、攪拌針直徑以及攪拌針長(zhǎng)度時(shí)，可有效增大熱輸入量，增大攪拌頭對(duì)塑性金屬的攪拌轉(zhuǎn)移作用區(qū)域，形成對(duì)未焊合區(qū)域的二次攪拌，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)此類缺陷的良好修復(fù)。

圖4 含有未焊合缺陷的焊縫及其FSW補(bǔ)焊焊縫表面形貌

圖5 原始未焊合缺陷尺寸不同的補(bǔ)焊焊縫橫截面

2.3 補(bǔ)焊接頭的力學(xué)性能

對(duì)含有不同尺寸未焊合缺陷的接頭及其FSW補(bǔ)焊后的接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，所得接頭的拉伸性能如圖6所示。由圖6a可以看出，對(duì)于沒(méi)有未焊合缺陷的0號(hào)試樣，其抗拉強(qiáng)度為222 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5.5%。1號(hào)試樣的未焊合缺陷高度為0.2 mm，其抗拉強(qiáng)度為221 MPa，與優(yōu)質(zhì)接頭相當(dāng)；2號(hào)試樣的未焊合缺陷高度為0.7 mm，其抗拉強(qiáng)度下降至189 MPa；3號(hào)試樣的未焊合缺陷高度達(dá)到1.2 mm，其抗拉強(qiáng)度降到182 MPa。由此可見(jiàn)，未焊合缺陷對(duì)接頭性能有重要影響，隨著缺陷高度的增加，接頭性能降低。這主要是因?yàn)殡S著未焊合缺陷尺寸的增加，焊接接頭的有效承載面積降低所致。

由圖6b可知，經(jīng)過(guò)FSW補(bǔ)焊后，1～3號(hào)試樣的接頭抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到228 MPa,221 MPa和225 MPa，斷后伸長(zhǎng)率分別為7.1%,5.3%和6.9%。由此可見(jiàn)，F(xiàn)SW補(bǔ)焊后的接頭性能與最優(yōu)接頭性能相當(dāng)，說(shuō)明FSW補(bǔ)焊方法是有效可行的。

圖6 未焊合缺陷消除前后的接頭力學(xué)性能

接頭性能與斷裂位置有著密切的關(guān)系。對(duì)于含有未焊合缺陷的接頭而言，拉伸測(cè)試時(shí)，接頭首先在未焊合缺陷處開(kāi)裂，并沿焊核區(qū)擴(kuò)展。此時(shí)接頭的性能既與缺陷尺寸有關(guān)，又與焊核區(qū)的組織特征有關(guān)。沒(méi)有未焊合缺陷的接頭，包括經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊后未焊合缺陷消失的接頭，其拉伸開(kāi)裂出現(xiàn)在焊縫后退側(cè)的熱影響區(qū)，接頭性能完全由熱影響區(qū)的軟化所決定的[8]。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)改變攪拌頭尺寸、調(diào)整焊接工藝參數(shù)或改變焊接工況，可以制備不同類型及不同尺寸的FSW未焊合缺陷。

(2)不同尺寸的未焊合缺陷在合理選用補(bǔ)焊攪拌頭和補(bǔ)焊工藝情況下，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效修復(fù)。補(bǔ)焊接頭性能與最優(yōu)FSW接頭性能相當(dāng)，證明了FSW補(bǔ)焊方法對(duì)于消除未焊合缺陷的有效可行性。

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2016-06-21

TG453

張欣盟，1980年出生，博士，高級(jí)工程師。主要從事軌道車輛焊接工藝方面的研究，已發(fā)表論文10余篇。