6082-T6铝合金填料搅拌摩擦焊工艺

　　摘要：针对轨道列车车体铝合金搅拌摩擦焊过程中产生的装配间隙问题，采用在间隙处填充焊丝与焊片的方式对6082-T6铝合金进行搅拌摩擦焊接。结果表明，两种填充方式的FSW接头在拉伸过程中均断裂于热影响区，填充的焊丝与焊片并不会导致焊核区在拉伸过程中开裂，进而影响接头力学性能。提高焊接速度有助于增强填充焊片接头的拉伸强度，最优焊接参数为转速1 200 r/min，焊接速度600 mm/min，其抗拉强度达到245 MPa;而对于填充焊丝的接头，其抗拉强度略有降低，为235 MPa。本研究为铝合金长直搅拌摩擦焊缝间隙问题提供了一种有效的解决方案。

　　关键词：搅拌摩擦焊;填料;6082铝合金;力学性能

　　0 前言

　　搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)是一种新型的固相连接技術，自1991年发明以来，受到了广泛的研究和关注[1-5]。近年来FSW已广泛应用于诸多制造领域，例如航空航天[6]、轨道交通[7-8]、船舶以及汽车制造业[4]，特别在铝合金列车车体制造中成为最受关注的新型焊接技术。

　　在轨道列车车体实际FSW生产中，待焊部件多为长直的铝合金型材或板材，由于接头形式、型材直线度公差及FSW工装精度等因素的影响，焊前装配过程中常会存在一定的间隙。而且在FSW焊接过程中，因工装卡具加压固定问题，搅拌头产生的强大下压力也会造成装配间隙逐渐变大。此外，在铝合金型材的实际生产过程中常常发现，虽然焊接正面时未出现装配间隙，然而因焊接变形背部出现了明显的间隙。FSW焊缝的成形直接受材料的流动状态影响，而间隙的存在会导致FSW过程中焊缝区材料不足，从而影响正常的材料流动和接头微观组织变化及力学性能[9-12]。当装配间隙过大时，由于FSW过程中材料不能及时填充，焊核区材料流动发生异常，很难得到无缺陷的FSW接头，常出现孔洞、隧道型的结构缺陷。

　　综上所述，在轨道列车车体的长直铝合金部件FSW焊接时，常出现装配间隙超出工艺要求的情况，不仅成为产生焊接缺陷的潜在隐患，同时造成产品合格率降低，影响生产效率，必须予以解决。文中选用在间隙处填充铝合金焊丝或焊片的方法进行FSW，该方法成本低、操作简单。通过在不同的焊接参数下进行FSW，对接头宏观、微观组织进行观察，并测试接头的力学性能，确立优化的FSW工艺参数，从而建立铝合金间隙填料FSW新工艺。

　　1 实验材料与方法

　　研究选用6082-T6铝合金板材，板厚4 mm，焊前用丙酮清洗油污。选用典型间隙1 mm的板材作为研究对象，用1 mm厚的焊片和两条直径1 mm的焊丝进行对接间隙填充。焊片材质为与母材材质一致的6082铝合金薄片，宽度为4 mm，焊前用丙酮清洗油污，焊片与焊丝的放置位置及填料FSW过程横截面示意如图1所示。焊接工具轴肩直径为20 mm，搅拌针长为3.72 mm，搅拌针根部直径为8 mm，工具倾角为2.5°，焊接工具的材质为H13热作模具钢。FSW试验时与实际应用中工况相同，均平行于板材轧制方向进行焊接，焊接工艺参数和样品编号如表1所示。

　　对于FSW接头宏观形貌的分析样品，垂直于焊缝方向采用电火花切割截取横向金相试样，依次使用150#、240#、400#、800#、1200#和2000#砂纸进行机械磨制，然后机械抛光处理。进行金相腐蚀时，首先采用传统的Keller试剂(2.5 mL HNO3+1.5 mL HF+95 mL H2O)进行腐蚀，然后采用光学显微镜(Optical microscope，OM)观察FSW接头样品横截面。拉伸样品垂直于焊接方向取样，样品尺寸如图2所示，拉伸测试时初始应变速率为10-3 s-1。采用FEI Quanta 600型扫描电镜对拉伸断口进行观察分析。

　　2 实验结果与讨论

　　2.1 接头微观组织

　　不同工艺参数下FSW接头的宏观形貌如图3所示，可以明显看出焊核区的轮廓。1200-600-P和800-200-P样品横截面上均未观察到孔洞等缺陷存在，而在两种样品的焊核区均可观察到“S”线的存在。但800-200-P试样与1200-600-P试样相比，能够观察到明显的“洋葱环”结构，这是由于焊接速度的降低使得材料能有足够的时间充分流动，更有利于“洋葱环”的形成。而对于铝合金的填料FSW，与传统FSW相比，由于对接面中焊片的加入增加了被焊材料的表面积，使氧化物的数量增多，因此焊核区的“S”线相对更明显。而且此时“S”线不再呈现出单一线条的分布，焊核中出现了更多的“S”线，且原始的焊片破碎成块状颗粒分布在焊核区。

　　1500-1000-P接头横截面的宏观形貌如图3c所示。焊核中可以观察到明显的“洋葱环”这一特征结构，而在焊核边界处和上表面可观察到明显的微裂纹。从“S”线在填料FSW接头焊核区的分布及接头的腐蚀衬度差异可以推断，对接面添加的焊片在FSW后主要分布在焊核区的中心位置，高焊接速度下的FSW焊核区焊片的破碎程度较弱，通常呈大块状存在，且焊片通常呈现出连续分布的状态。1200-600-S接头横截面宏观形貌如图3d所示。由于焊丝体积较小，对接面的氧化膜变少，因此横截面上的“S”线数量较少，并大多集中在焊核的中下部分。

　　2.2 拉伸性能

　　拉伸测试结果及拉伸曲线如表2、图4所示。从拉伸性能来看，800-200-P试样的强度最低，约为230 MPa，但延伸率稍好，约8.0%。当焊接速度增加到600 mm/min时，1200-600-P试样抗拉强度为245 MPa，而且该试样的屈服强度也较高，约为140 MPa。这是由于随着焊接速度的提升，热影响区的高温持续时间与最高峰值温度均低于低焊接速度时的，导致热影响区宽度较窄，软化程度较小[13-14]。所有的拉伸样品均断裂在轴肩边缘，且从侧面看断裂方向与拉伸方向约成45°，即与最大剪切力方向及焊核区边界一致。焊片的加入并没有导致FSW接头断裂在焊核区，间隙填料FSW接头的拉伸力学性能与常规FSW接头的力学性能较为吻合[15-16]。800-200-P样品由于焊接速度较低，热影响区的高温影响时间增长，热影响区析出相发生回溶或粗化，严重导致该接头强度降低[17-18]。

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