李充，田亞林，齊振國，王崴，楊彥龍，王依敬

(河北京車軌道交通車輛裝備有限公司,保定,072150)

0 序言

攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)具有熱輸入低、殘余應(yīng)力小以及無裂紋與氣孔傾向等優(yōu)勢，在低熔點輕質(zhì)合金的連接領(lǐng)域備受推崇，在航空航天、軌道交通和汽車制造中得到廣泛應(yīng)用[1–5].但由于焊接過程中一般需要一定的軸肩下壓量來保證焊縫的成形，由此帶來的焊縫減薄問題嚴重影響了接頭的成形質(zhì)量及力學(xué)性能.因此，獲得無減薄且性能優(yōu)異的接頭成為FSW 領(lǐng)域亟需攻克的難題之一[6–8].

在常規(guī)的FSW 過程中，隨著軸肩的下壓，焊縫兩側(cè)會有材料溢出形成特有的飛邊缺陷[9-10].焊縫內(nèi)部材料的缺失使得焊縫整體的厚度減薄，降低了工件的整體精度以及接頭的有效承載截面積.針對此問題，Meng 等人[11]研究了4 mm 厚的6005AT6 薄板的對接焊縫，結(jié)果表明焊前增材的方式可有效抑制焊縫減薄，獲得與基板等厚的焊縫.申浩等人[12]采用靜止軸肩的設(shè)計方案來控制焊縫減薄，結(jié)果表明與常規(guī)FSW 工藝相比，焊縫幾乎無減薄現(xiàn)象，最優(yōu)抗拉強度可達母材的71.5%.

文中以軌道交通領(lǐng)域常用的6082-T6 鋁合金作為研究對象，從軸肩下壓量為零的角度出發(fā)，配合特定的焊具設(shè)計以及參數(shù)優(yōu)化來解決焊縫減薄的問題.圍繞焊接接頭的宏觀和微觀組織演變、缺陷抑制、成形調(diào)控以及性能評價等方面進行分析，以期從根本解決焊縫減薄問題，達到焊接結(jié)構(gòu)的實際工程應(yīng)用需求，促進工件結(jié)構(gòu)的輕量化、高強度系數(shù)與高可靠性設(shè)計.

1 試驗方法

試驗選用10 mm 厚的6082-T6 鋁合金作為研究對象，該材料由河北京車軌道交通車輛裝備有限公司提供，其抗拉強度及斷后伸長率分別為317 MPa和13.0%.使用WWW-LM3324-2D-13T 型龍門攪拌摩擦焊機進行試樣的焊接.攪拌頭的軸肩直徑為20 mm，攪拌針采用錐度設(shè)計，根部直徑為10 mm，端部直徑為6.45 mm.攪拌針表面帶有螺紋結(jié)構(gòu)，螺距為2 mm，在攪拌針周向均布有3 個銑平面，深度為1 mm.對接焊接的兩板間隙為0 mm，下壓量為0 mm，焊接傾角為0°.焊接過程中，攪拌頭轉(zhuǎn)速分別選用400 與600 r/min 兩種進行對比研究，焊接速度選取200～ 800 mm/min.為敘述方便，文中將例如轉(zhuǎn)速400 r/min 和焊接速度200 mm/min 的參數(shù)組合簡寫為400-200.

金相試樣沿垂直于FSW 焊接方向切取，分別采用800，1 500，3 000，5 000 和7 000 目水砂紙對金相試樣進行粗磨和精磨，最后采用粒度為1.5 μm金剛石拋光劑對金相試樣進行拋光處理；試樣采用Keller 試劑進行腐蝕，凱勒試劑的配比為HNO3∶HCl∶HF∶H2O=2.5∶1.5∶1∶95，腐蝕時間控制在5～10 s 左右.采用Keyence VHX-1000E 型超景深顯微鏡觀測接頭橫截面的宏、微觀形貌.按照ISO 4136∶2001(E)《金屬材料焊縫的破壞性試驗—橫向拉伸試驗》標準進行拉伸試樣的制備；采用HXD-1000TM 型數(shù)字式顯微硬度儀對試樣的顯微硬度進行檢測，試驗加載載荷為1 960 N，加載時間為10 s；使用SHIMADZU EHF-UV200K2 型試驗機以3 mm/min 的拉伸速率進行常溫拉伸試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊具設(shè)計與焊縫成形

傳統(tǒng)FSW 過程中，為保證焊縫的良好成形，通常采用一定的軸肩下壓量來保證材料的充分塑性流動，對材料進行有效鍛壓.由此造成的材料溢出則導(dǎo)致了焊縫厚度方向的減薄，影響了焊縫的有效受力截面積.從軸肩下壓量為零的角度對焊縫減薄控制，材料的充分塑性流動與材料溢出抑制則通過焊具的設(shè)計來針對性解決，具體焊接過程及焊具設(shè)計如圖1 所示.在傳統(tǒng)螺紋攪拌針的基礎(chǔ)上，軸向上均布設(shè)計了3 個銑平面，攪拌針與周向材料的接觸模式由傳統(tǒng)的螺紋切向點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)殂娖矫娴拿娼佑|，材料沿攪拌針周向的塑性流動由此得到一定提升.材料的整體塑性流動模式轉(zhuǎn)變?yōu)殂娖矫孀饔孟碌闹芟蛄鲃优c螺紋作用下的y向回流耦合的復(fù)合材料流動模式.材料的溢出控制則由軸肩端面的環(huán)形凹槽調(diào)控.在焊接過程中，攪拌針擠出及材料塑性流動溢出的材料由環(huán)形凹槽儲存，避免了材料的外流.

圖1 焊接過程及焊具設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding process and welding tool.(a) welding process; (b) material flow in the transverse section; (c) material flow in the horizontal section

圖2 為不同焊接工藝參數(shù)下所獲焊縫的表面宏觀形貌.從圖2 可以看出，各參數(shù)下焊縫的整體形貌無明顯缺陷，弧紋間隔均勻，焊縫整體成形較穩(wěn)定.在轉(zhuǎn)速一定時，較低焊接速度下焊縫周邊有輕微的飛邊產(chǎn)生(圖2a、圖2b 和圖2d).

這是由于較低焊接速度下，軸肩局部停留時間長，較大的熱輸入使材料塑化充分，進而更易流動且溢出.隨著焊接速度的提升(在轉(zhuǎn)速400 r/min 一定時，焊接速度提高至400 mm/min；在轉(zhuǎn)速600 r/min一定時，焊接速度提高至 400 mm/min 以上)，焊縫的飛邊傾向明顯減弱(圖2c、圖2e 和圖2f).但較高的焊接速度會使得弧紋的高度提升，增加焊縫表面的粗糙度.通過測試不同參數(shù)下弧紋高度隨弧紋長度的變化，來評價焊縫表面的粗糙程度，如圖3所示.測試以視野內(nèi)最低點為0 點，弧紋高度為弧紋底高及弧紋峰高的相對值.在400-400 以及600-600 參數(shù)下弧紋高度分別達到75，81 μm.這是由于焊具每前進一個弧紋間距，后方就有對應(yīng)距離的材料需要填充，在較高的焊接速度下，每個弧紋間距內(nèi)需要填充的材料較多，因此弧紋高度較高.

圖2 各參數(shù)(轉(zhuǎn)速/焊接速度)下的焊縫表面成形Fig.2 Surface forming of the joint under various parameters (rotational speed/welding speed).(a) 400-200; (b) 400-300; (c) 400-400; (d) 600-200; (e) 600-400; (f) 600-600

圖3 各參數(shù)(轉(zhuǎn)速/焊接速度)下焊縫表面的粗糙程度Fig.3 Roughness of the joint surface under various parameters (rotational speed/welding speed).(a) ratational speed 400 r/min; (b) ratational speed 600 r/min

2.2 焊縫分區(qū)及對應(yīng)組織分析

圖4 為不同焊接工藝參數(shù)下所獲焊縫的宏觀形貌.各參數(shù)下所獲得的焊縫厚度均未發(fā)生明顯減薄，且部分參數(shù)下焊縫甚至有輕微的凸起現(xiàn)象.這是由于焊具在對工件施加向下段壓力的同時，工件亦會給焊具一個軸向的反作用力.當該反作用力足夠大時，焊縫位置便會有輕微的抬高.Zhang 等人[13]采用內(nèi)凹軸肩的設(shè)計，在軸肩下壓量為零時獲得了類似的結(jié)果.隨著轉(zhuǎn)速的降低以及焊接速度的提升，材料所受的熱輸入減小，材料的塑性流動能力減弱，在材料的根部位置易出現(xiàn)缺陷.如圖4b、圖4c 和圖4f 所示，其對應(yīng)參數(shù)條件下，焊縫根部均出現(xiàn)了明顯的孔洞.相對于轉(zhuǎn)速400，600 r/min 下的熱輸入較大，在焊接速度提高至600 mm/min 時，焊縫根部才出現(xiàn)孔洞缺陷.所以，其可焊參數(shù)范圍得到了一定的提升.

圖4 各參數(shù)下(轉(zhuǎn)速/焊接速度)焊縫的宏觀形貌Fig.4 Cross-sectional macro-morphology of the joint under various parameters (rotational speed/welding speed).(a) 400-200; (b) 400-300; (c) 400-400; (d) 600-200; (e) 600-400; (f) 600-600

圖5 為焊縫的典型橫截面宏觀形貌及各分區(qū)的組織特征.圖5b 為焊核區(qū)，其因受到攪拌頭的機械攪拌及軸肩的摩擦，在熱力耦合的作用下，該區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶過程，組織尺寸較小且均勻.熱力影響區(qū)(圖5c)經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)及塑性變形僅次于焊核區(qū)，其組織具有明顯的流線特征.圖5d 為熱影響區(qū)，在熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)組織發(fā)生了一定的粗化.相較于其它區(qū)域，熱影響區(qū)組織尺寸相對較大.由于10 mm 厚板的上、下端散熱較快，熱影響區(qū)呈現(xiàn)出典型的中間粗兩端薄的形貌特征.而母材區(qū)組織(圖5e)幾乎不受焊接熱循環(huán)作用的影響，其組織保留了板材的原始形貌特征，具有沿軋制方向的取向性.

圖5 焊縫的顯微組織及局部放大圖Fig.5 Microstructure and partial enlarged view of the joint.(a) microstructure in various regions; (b) weld nugget zone;(c) thermo-mechanically affected zone; (d) heat affected zone; (e) base material

2.3 焊縫顯微硬度及拉伸性能分析

各分區(qū)組織形貌的差異影響焊縫性能上的變化.圖6 為焊縫各分區(qū)的顯微硬度.母材幾乎不受焊接熱循環(huán)的作用，保留了軋制板材的原始組織，其硬度值較高.焊縫熱影響區(qū)的組織較粗大，其顯微硬度值偏低.在熱力耦合作用下，焊核區(qū)以及熱力影響區(qū)的組織發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶，較小的再結(jié)晶晶粒使得對應(yīng)兩區(qū)域的顯微硬度獲得一定提升，均高于熱影響區(qū).因此，在焊縫成形良好、無缺陷的情況下，拉伸試樣的斷裂裂紋應(yīng)向熱影響區(qū)方向擴展.

圖6 典型接頭橫截面的顯微硬度Fig.6 Microhardness on the cross section of typical joints

圖7 為在可焊接區(qū)間范圍更大的轉(zhuǎn)速600 r/min一定時，不同焊接速度下獲得的接頭的拉伸性能.由圖7 可知，焊接接頭的抗拉強度隨焊接速度的提高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.焊接速度的變化會影響焊縫的局部熱輸入.焊接速度過小，攪拌頭局部停留時間長，過大的熱輸入會引起組織的粗化，降低接頭的力學(xué)性能；而焊接速度過大，較小的熱輸入又會導(dǎo)致材料塑性流動不充分，影響焊縫成形，使得焊縫接頭極易產(chǎn)生孔洞缺陷.所以，焊接接頭的抗拉強度在隨焊接速度變化的過程中會出現(xiàn)明顯的拐點.如圖4f 所示，當焊接速度提高至600 mm/min 時，焊縫根部開始出現(xiàn)明顯根部缺陷.在焊接速度超過600 mm/min 時，較大的缺陷傾向?qū)е陆宇^的抗拉強度及斷后伸長率大幅降低.在焊接速度達到500 mm/min 時，焊接接頭的抗拉強度接近峰值，達到254 MPa，為母材強度的80%.

圖7 不同焊接速度下接頭的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of the joints at different welding speeds

對轉(zhuǎn)速600 r/min、焊接速度500 mm/min 參數(shù)下的拉伸試樣進行斷裂路徑分析，獲得如圖8 所示的接頭斷裂位置宏/微觀組織形貌.由圖8a 可知，在焊核區(qū)的根部存在幾個微小孔洞，因而在裂紋擴展過程中，一小段擴展路徑穿過了焊核區(qū)該薄弱的位置.由圖8b 可知，該接頭的斷裂路徑主要穿過了焊縫的熱影響區(qū)，在斷裂路徑的末端，穿過一小段焊核區(qū).由圖6 可知，焊縫各分區(qū)中熱影響區(qū)的顯微硬度最低.在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)組織發(fā)生了明顯的粗大.在拉伸過程中，該位置的組織會優(yōu)先發(fā)生塑性變形，并承擔大部分的變形量，在失效的過程中，是裂紋優(yōu)先擴展的路徑.

3 結(jié)論

(1) 通過軸肩端面圓形內(nèi)凹槽設(shè)計及攪拌針周向螺紋復(fù)合三銑平面的設(shè)計，在軸肩下壓量為零的工藝條件下，獲得了無減薄且成形良好焊接接頭.

(2) 焊接速度一定時，轉(zhuǎn)速的增加可提高焊接接頭所受的熱輸入，抑制焊縫缺陷的產(chǎn)生.相較于轉(zhuǎn)速400,600 r/min 下的接頭可焊區(qū)間得到有效拓寬，焊接速度最高可達400 mm/min.

(3) 轉(zhuǎn)速一定時，焊接速度越大，焊縫所受的熱循環(huán)越小.熱循環(huán)過高，接頭的組織粗大且性能降低；而熱循環(huán)過低，接頭根部易出現(xiàn)成形缺陷，接頭的抗拉強度亦容易降低.

(4) 在轉(zhuǎn)速600 r/min、焊接速度500 mm/min時，接頭的抗拉強度最高，為254 MPa，達到母材的80%.