陳寧凱，王威威，付寧寧，金文濤

中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司 江蘇南京 210031

1 序言

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國(guó)焊接研究所（TWI）發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊接頭部位不存在金屬熔化，這可以有效地避免熔焊過(guò)程中形成的氣孔、裂紋等焊接缺陷。同時(shí)攪拌摩擦焊具有自動(dòng)化、智能化優(yōu)勢(shì)，因此攪拌摩擦焊在軌道交通鋁合金車(chē)體制造中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。雙軸肩攪拌摩擦焊是一種新型的攪拌摩擦焊方法，采用具有上下軸肩的自支撐攪拌工具，兩個(gè)軸肩通過(guò)與被焊結(jié)構(gòu)厚度相當(dāng)?shù)臄嚢栳樳B接，通過(guò)焊接過(guò)程中上下軸肩與攪拌針共同旋轉(zhuǎn)并與被焊材料相互作用實(shí)現(xiàn)焊接。由于雙軸肩攪拌摩擦焊軸向力較小，且不需要?jiǎng)傂詨|板，因此非常適合自動(dòng)化焊接，大大提高了攪拌摩擦焊的適應(yīng)性和焊接效率。雙軸肩攪拌摩擦焊是一種全焊透焊接，可以同時(shí)對(duì)工件的上下表面進(jìn)行焊接，因而，從根本上消除了未焊透或根部缺陷等問(wèn)題[2，3]。本文主要研究不同工藝參數(shù)對(duì)接頭成形、微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，為雙軸肩攪拌摩擦焊焊接參數(shù)制定、質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支撐，以促進(jìn)攪拌摩擦焊工程化應(yīng)用。

圖1 雙軸肩攪拌摩擦焊原理示意

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料及攪拌頭

試驗(yàn)材料為6005A-T6鋁合金中空型材，壁厚為5mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1?？估瓘?qiáng)度為255MPa，伸長(zhǎng)率為8%。采用航天工程裝備（蘇州）有限公司生產(chǎn)的二維攪拌摩擦焊設(shè)備以及自主研制的攪拌工具，沿型材軋制方向進(jìn)行焊接，攪拌工具上下軸肩直徑均為18mm，攪拌針直徑8mm，針長(zhǎng)4.8mm，如圖2所示。

表1 6005A-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖2 攪拌頭結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)參數(shù)及方法

為了研究焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量和接頭力學(xué)性能的影響，選取了4組優(yōu)化的焊接參數(shù)。選取原則為在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)盡量提高焊接效率，具體的焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 攪拌摩擦焊焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 焊縫表面成形

4種參數(shù)均得到了表面成形良好的焊縫，如圖3所示。由圖3可知，所有接頭都形成了均勻分布的魚(yú)鱗紋，魚(yú)鱗紋的間距與焊接參數(shù)有關(guān)，代表攪拌頭旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離。隨著焊接速度的增加，魚(yú)鱗紋距離增加。隨著焊接速度的增加，由于降低了焊接熱輸入，因此飛邊也有所減少。

圖3 不同參數(shù)下焊縫表面成形

3.2 宏觀金相

由圖4可知，雙軸肩攪拌摩擦焊接頭橫截面宏觀形貌呈“啞鈴形”，由熱影響區(qū)（HAZ）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）和焊核區(qū)（WNZ）組成。組織形貌在厚度方向上呈現(xiàn)出對(duì)稱性，而沿寬度方向，前進(jìn)側(cè)（AS）和后退側(cè)（RS）的組織形貌有明顯差異。前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)的分界線較為尖銳，后退側(cè)該分界線則更為圓滑，這是由于塑化金屬隨攪拌針從前進(jìn)側(cè)向后退側(cè)遷移，導(dǎo)致后退側(cè)鋁合金受到擠壓，界面變得圓滑。前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)之間有明顯的分界線，焊核區(qū)在靠近前進(jìn)側(cè)可見(jiàn)三角條帶區(qū)，這是由于前進(jìn)側(cè)塑性材料處于紊流狀態(tài)，因攪拌針、上軸肩和下軸肩驅(qū)動(dòng)的塑性金屬在該處匯聚而引起的，該區(qū)域也是容易產(chǎn)生隧道及孔洞缺陷的位置。所有接頭的焊核區(qū)均可觀察到S線，這是對(duì)接面的氧化物在攪拌針攪拌作用下殘留于焊核中形成的[4]。

圖4 不同參數(shù)下接頭橫截面宏觀形貌

3.3 顯微組織

2#接頭不同區(qū)域的組織如圖5所示，母材呈現(xiàn)出典型的擠壓型材組織，無(wú)明顯的第二相析出。焊核區(qū)組織呈等軸狀，晶粒非常細(xì)小，這是因?yàn)楹负藚^(qū)受到攪拌針強(qiáng)烈的攪拌作用，同時(shí)受到焊接熱循環(huán)的作用，使得該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，所以形成細(xì)小、均勻的等軸晶組織；同時(shí)，焊核區(qū)也有少量的第二相析出，均勻分布在基體中；熱機(jī)影響區(qū)組織發(fā)生明顯的變形，與熱影響區(qū)有較為明顯的分界線，其中前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的晶粒變形相比后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的晶粒明顯。熱影響區(qū)組織與母材相似，但由于受到焊接熱循環(huán)的作用，其晶粒尺寸明顯大于母材的晶粒；熱影響區(qū)內(nèi)部由于受熱不均勻，因此晶粒大小也有明顯的差異；熱影響區(qū)中還可觀察到大量均勻分布的第二相；前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)晶粒比后退側(cè)大，這是由于前進(jìn)側(cè)溫度高于后退側(cè)，因此晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象明顯[5]。

圖5 2#接頭不同區(qū)域的組織

3.4 抗拉強(qiáng)度

不同焊接速度下接頭的抗拉強(qiáng)度如圖6所示。由圖6可看出，固定旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，隨著焊接速度提高，接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)焊接速度為700mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值236MPa，所有參數(shù)下接頭拉伸斷裂位置均位于熱影響區(qū)。

圖6 不同焊接速度下接頭的抗拉強(qiáng)度

圖7 2#接頭拉伸斷口SEM照片

2#接頭拉伸斷口SEM照片如圖7所示。2#接頭斷裂發(fā)生于熱影響區(qū)，整個(gè)斷面均呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。由于焊縫組織在攪拌頭軸肩和攪拌針的攪拌、碾壓作用下，晶粒破碎、細(xì)化，形成組織致密的等軸晶，接頭的均勻性和一致性很好，即使對(duì)于熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)來(lái)說(shuō)，其組織的致密性、均勻性及一致性也很好。因此，在拉應(yīng)力作用下，接頭斷口易于形成均勻的等軸韌窩形貌。韌窩的大小較為均勻，表明接頭韌性較好，強(qiáng)化相分布均勻，這與圖5所示的微觀組織特征一致。

3.5 彎曲性能

4種參數(shù)下的焊接接頭均具有良好的彎曲性能，正彎、背彎180°均未出現(xiàn)裂紋，如圖8所示。

圖8 彎曲性能

4 結(jié)束語(yǔ)

1）在800r/min低轉(zhuǎn)速下，焊接速度從600mm/min增加到900mm/min，接頭成形均良好，無(wú)溝槽等表面缺陷，也無(wú)隧道、孔洞等內(nèi)部缺陷；接頭呈“啞鈴形”，由熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)組成，焊縫在寬度及厚度方向均呈對(duì)稱性。

2）當(dāng)固定旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，隨著焊接速度的提高，接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)焊接速度達(dá)到700mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值236MPa。

3）接頭斷裂發(fā)生于熱影響區(qū)，整個(gè)斷面均呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。

4）雙軸肩攪拌摩擦焊接頭具有良好的彎曲性能，4種參數(shù)下接頭的正彎、背彎180°試驗(yàn)，均未出現(xiàn)裂紋。