劉春寧 鈕旭晶 侯振國 陳曉霞 魯二敬

(中車唐山機車車輛有限公司 河北 唐山 063035)

高速列車車體多采用整體組焊結(jié)構(gòu)，而鋁合金具有自重輕，比強度高，無磁性，成型加工性能好等特點，在高速列車交通運輸?shù)裙I(yè)制造領(lǐng)域應用廣泛[1]。但大部分的鋁合金焊接接頭都會面臨重復性載荷帶來的疲勞斷裂問題[2]。攪拌摩擦焊是車體連接的高效焊接方法，在薄板鋁合金焊接過程中，常采用新型雙軸肩攪拌摩擦焊[3-4]。焊接時，適宜的裝配工藝參數(shù)可有效提高工件焊接接頭性能，保證生產(chǎn)質(zhì)量[5]。因此，研究不同組裝錯邊量對焊接頭疲勞性能的影響對于完善雙軸肩攪拌摩擦焊工藝有重要的意義。

下文結(jié)合6種不同的錯邊量裝配參數(shù)，對雙軸肩攪拌摩擦焊下6005-T6鋁合金型材焊接接頭疲勞性能進行了系統(tǒng)研究，通過對試件疲勞斷口的掃描分析，確定了不同裝配條件對6005-T6鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗采用雙軸肩攪拌摩擦焊(BT-FSW)對5 mm厚的6005-T6鋁合金型材試板進行焊接，試驗材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù))和力學性能分別如表1和表2所示。

表1 6005-T6鋁合金試驗材料化學成分 /%

表2 6005-T6鋁合金試驗材料力學性能

1.2 試驗方法

試板尺寸為500 mm×300 mm×5 mm的6005-T6鋁合金型材，采用雙軸肩攪拌摩擦焊，錯邊量裝配圖如圖1所示。分別進行裝配錯邊量為前進側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1 mm和后退側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1 mm的工藝試驗，攪拌頭轉(zhuǎn)速取400 r/min，焊接速度取300 mm/min；對焊接完成的試件均進行了外觀檢測和滲透檢測，結(jié)果全部合格。

試驗設(shè)備采用PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，參照GB/T 13816—1992《焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法》標準進行疲勞試驗。試驗參數(shù)：靜載負荷精度控制在±1%以內(nèi)，動載負荷振幅波動度控制在±2%以內(nèi)。試驗采用的循環(huán)應力比R取0.1，應力增量取10 MPa，規(guī)定循環(huán)壽命為1×107次。在試驗過程中采用斷裂保護，當疲勞裂紋尺寸足夠大，載荷加不上去時，以及振動頻率自動下降超過10%時，試驗機卸載停止試驗，并記錄最終循環(huán)次數(shù)。疲勞試件尺寸如圖2所示。

圖1 焊接錯邊量裝配示意圖

圖2 疲勞試樣形狀和尺寸

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 疲勞試驗結(jié)果及分析

為確定6種不同裝配錯邊量下的6005-T6鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭指定循環(huán)壽命為1×107次下的疲勞極限，分別對裝配錯邊量參數(shù)為前進側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm和后退側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm的焊接接頭試件進行脈動拉伸疲勞試驗，通過升降法繪制每種錯邊量下焊接接頭的疲勞強度升降圖，如圖3所示。

注：×—斷裂；Ο—未斷裂。圖3 不同錯邊量的疲勞極限升降圖

由升降法確定的6種裝配錯邊量下6005-T6鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限，可按以下公式計算：

由此可得：

(1)前進側(cè)高0.5 mm的中值疲勞極限強度σ0.1=(75×1+85×3)/4=82.5 MPa；

(2)前進側(cè)高0.7 mm的中值疲勞極限強度σ0.1=(55×1+65×3)/4=62.5 MPa；

(3)前進側(cè)高1.0 mm的中值疲勞極限強度σ0.1=(65×2+55×2)/4=60 MPa；

(4)后退側(cè)高0.5 mm的中值疲勞極限強度σ0.1=(85×1+75×2+65×1)/4=75 MPa；

(5)后退側(cè)高0.7 mm的中值疲勞極限強度σ0.1=(65×2+55×2)/4=60 MPa；

(6)后退側(cè)高1.0 mm的中值疲勞極限強度σ0.1=(75×1+65×3)/4=67.5 MPa。

以上述6組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制不同裝配錯邊量6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭脈動拉伸疲勞(R取0.1)S-N曲線對比圖，如圖4所示。

圖4 不同裝配錯邊量疲勞S-N曲線對比圖

從圖4可知：焊接試件裝配錯邊量為0.5 mm時，前進側(cè)高0.5 mm焊接接頭的疲勞強度較高，達到82.5 MPa，后退側(cè)高0.5 mm接頭的疲勞強度在75 MPa以上。隨著裝配錯邊量增加到0.7 mm，焊接接頭的中值疲勞極限迅速下降，后退側(cè)高0.7 mm時疲勞強度最低到60 MPa。當錯邊量達到1.0 mm時，焊接接頭的中值疲勞極限繼續(xù)降低，其中前進側(cè)降至60 MPa，后退側(cè)略有升高到67.5 MPa。這是因為隨著裝配錯邊量增大，導致焊接過程中補充焊核區(qū)的材料不足，達到塑性流動的材料不充分；攪拌頭壓入量不均勻，焊核一側(cè)表面出現(xiàn)咬邊；軸肩單邊接觸工件，摩擦產(chǎn)熱不足，焊核區(qū)金屬表面厚度下降是接頭疲勞性能下降的主要原因。

2.2 疲勞斷口掃描分析

6種不同裝配錯邊量的6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊疲勞試件斷裂位置主要集中在高低不同的焊核邊緣。如圖5所示，從JSM-6360LV掃描圖像中可以看出：宏觀啟裂區(qū)沒有出現(xiàn)脆斷缺陷，放大30倍可觀察到典型的疲勞斷裂特征(見圖5-a、b)，擴展區(qū)疲勞紋清晰(見圖5-c)，區(qū)域大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而擴展；終斷區(qū)放大1 000倍可以觀察到明顯的深韌窩型韌性斷口(如圖5-d所示)。

圖5 疲勞斷口掃描照片

3 結(jié)論

(1)6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭指定壽命為1×107次的中值疲勞極限強度σ0.1：前進側(cè)高 0.5 mm 時為82.5 MPa，前進側(cè)高 0.7 mm時為62.5 MPa，前進側(cè)高 1.0 mm時為60 MPa；后退側(cè)高0.5 mm時為75 MPa，后退側(cè)高0.7 mm時為60 MPa，后退側(cè)高1.0 mm時為67.5 MPa。

(2)裝配錯邊量對5 mm 6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭疲勞性能影響很大，隨著錯邊量增大，焊縫容易出現(xiàn)咬邊等缺陷，產(chǎn)生應力集中導致其疲勞性能下降，焊接過程應當嚴格控制裝配錯邊量。