摘要：針對(duì)軌道列車(chē)車(chē)體鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中產(chǎn)生的裝配間隙問(wèn)題，采用在間隙處填充焊絲與焊片的方式對(duì)6082-T6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接。結(jié)果表明，兩種填充方式的FSW接頭在拉伸過(guò)程中均斷裂于熱影響區(qū)，填充的焊絲與焊片并不會(huì)導(dǎo)致焊核區(qū)在拉伸過(guò)程中開(kāi)裂，進(jìn)而影響接頭力學(xué)性能。提高焊接速度有助于增強(qiáng)填充焊片接頭的拉伸強(qiáng)度，最優(yōu)焊接參數(shù)為轉(zhuǎn)速1 200 r/min，焊接速度600 mm/min，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到245 MPa;而對(duì)于填充焊絲的接頭，其抗拉強(qiáng)度略有降低，為235 MPa。本研究為鋁合金長(zhǎng)直攪拌摩擦焊縫間隙問(wèn)題提供了一種有效的解決方案。

　　關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;填料;6082鋁合金;力學(xué)性能

　　0 前言

　　攪拌摩擦焊(Friction stir welding，F(xiàn)SW)是一種新型的固相連接技術(shù)，自1991年發(fā)明以來(lái)，受到了廣泛的研究和關(guān)注[1-5]。近年來(lái)FSW已廣泛應(yīng)用于諸多制造領(lǐng)域，例如航空航天[6]、軌道交通[7-8]、船舶以及汽車(chē)制造業(yè)[4]，特別在鋁合金列車(chē)車(chē)體制造中成為最受關(guān)注的新型焊接技術(shù)。

　　在軌道列車(chē)車(chē)體實(shí)際FSW生產(chǎn)中，待焊部件多為長(zhǎng)直的鋁合金型材或板材，由于接頭形式、型材直線度公差及FSW工裝精度等因素的影響，焊前裝配過(guò)程中常會(huì)存在一定的間隙。而且在FSW焊接過(guò)程中，因工裝卡具加壓固定問(wèn)題，攪拌頭產(chǎn)生的強(qiáng)大下壓力也會(huì)造成裝配間隙逐漸變大。此外，在鋁合金型材的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常常發(fā)現(xiàn)，雖然焊接正面時(shí)未出現(xiàn)裝配間隙，然而因焊接變形背部出現(xiàn)了明顯的間隙。FSW焊縫的成形直接受材料的流動(dòng)狀態(tài)影響，而間隙的存在會(huì)導(dǎo)致FSW過(guò)程中焊縫區(qū)材料不足，從而影響正常的材料流動(dòng)和接頭微觀組織變化及力學(xué)性能[9-12]。當(dāng)裝配間隙過(guò)大時(shí)，由于FSW過(guò)程中材料不能及時(shí)填充，焊核區(qū)材料流動(dòng)發(fā)生異常，很難得到無(wú)缺陷的FSW接頭，常出現(xiàn)孔洞、隧道型的結(jié)構(gòu)缺陷。

　　綜上所述，在軌道列車(chē)車(chē)體的長(zhǎng)直鋁合金部件FSW焊接時(shí)，常出現(xiàn)裝配間隙超出工藝要求的情況，不僅成為產(chǎn)生焊接缺陷的潛在隱患，同時(shí)造成產(chǎn)品合格率降低，影響生產(chǎn)效率，必須予以解決。文中選用在間隙處填充鋁合金焊絲或焊片的方法進(jìn)行FSW，該方法成本低、操作簡(jiǎn)單。通過(guò)在不同的焊接參數(shù)下進(jìn)行FSW，對(duì)接頭宏觀、微觀組織進(jìn)行觀察，并測(cè)試接頭的力學(xué)性能，確立優(yōu)化的FSW工藝參數(shù)，從而建立鋁合金間隙填料FSW新工藝。

　　1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　研究選用6082-T6鋁合金板材，板厚4 mm，焊前用丙酮清洗油污。選用典型間隙1 mm的板材作為研究對(duì)象，用1 mm厚的焊片和兩條直徑1 mm的焊絲進(jìn)行對(duì)接間隙填充。焊片材質(zhì)為與母材材質(zhì)一致的6082鋁合金薄片，寬度為4 mm，焊前用丙酮清洗油污，焊片與焊絲的放置位置及填料FSW過(guò)程橫截面示意如圖1所示。焊接工具軸肩直徑為20 mm，攪拌針長(zhǎng)為3.72 mm，攪拌針根部直徑為8 mm，工具傾角為2.5°，焊接工具的材質(zhì)為H13熱作模具鋼。FSW試驗(yàn)時(shí)與實(shí)際應(yīng)用中工況相同，均平行于板材軋制方向進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)和樣品編號(hào)如表1所示。

　　對(duì)于FSW接頭宏觀形貌的分析樣品，垂直于焊縫方向采用電火花切割截取橫向金相試樣，依次使用150#、240#、400#、800#、1200#和2000#砂紙進(jìn)行機(jī)械磨制，然后機(jī)械拋光處理。進(jìn)行金相腐蝕時(shí)，首先采用傳統(tǒng)的Keller試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HF+95 mL H2O)進(jìn)行腐蝕，然后采用光學(xué)顯微鏡(Optical microscope，OM)觀察FSW接頭樣品橫截面。拉伸樣品垂直于焊接方向取樣，樣品尺寸如圖2所示，拉伸測(cè)試時(shí)初始應(yīng)變速率為10-3 s-1。采用FEI Quanta 600型掃描電鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察分析。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 接頭微觀組織

　　不同工藝參數(shù)下FSW接頭的宏觀形貌如圖3所示，可以明顯看出焊核區(qū)的輪廓。1200-600-P和800-200-P樣品橫截面上均未觀察到孔洞等缺陷存在，而在兩種樣品的焊核區(qū)均可觀察到“S”線的存在。但800-200-P試樣與1200-600-P試樣相比，能夠觀察到明顯的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，這是由于焊接速度的降低使得材料能有足夠的時(shí)間充分流動(dòng)，更有利于“洋蔥環(huán)”的形成。而對(duì)于鋁合金的填料FSW，與傳統(tǒng)FSW相比，由于對(duì)接面中焊片的加入增加了被焊材料的表面積，使氧化物的數(shù)量增多，因此焊核區(qū)的“S”線相對(duì)更明顯。而且此時(shí)“S”線不再呈現(xiàn)出單一線條的分布，焊核中出現(xiàn)了更多的“S”線，且原始的焊片破碎成塊狀顆粒分布在焊核區(qū)。

　　1500-1000-P接頭橫截面的宏觀形貌如圖3c所示。焊核中可以觀察到明顯的“洋蔥環(huán)”這一特征結(jié)構(gòu)，而在焊核邊界處和上表面可觀察到明顯的微裂紋。從“S”線在填料FSW接頭焊核區(qū)的分布及接頭的腐蝕襯度差異可以推斷，對(duì)接面添加的焊片在FSW后主要分布在焊核區(qū)的中心位置，高焊接速度下的FSW焊核區(qū)焊片的破碎程度較弱，通常呈大塊狀存在，且焊片通常呈現(xiàn)出連續(xù)分布的狀態(tài)。1200-600-S接頭橫截面宏觀形貌如圖3d所示。由于焊絲體積較小，對(duì)接面的氧化膜變少，因此橫截面上的“S”線數(shù)量較少，并大多集中在焊核的中下部分。

　　2.2 拉伸性能

　　拉伸測(cè)試結(jié)果及拉伸曲線如表2、圖4所示。從拉伸性能來(lái)看，800-200-P試樣的強(qiáng)度最低，約為230 MPa，但延伸率稍好，約8.0%。當(dāng)焊接速度增加到600 mm/min時(shí)，1200-600-P試樣抗拉強(qiáng)度為245 MPa，而且該試樣的屈服強(qiáng)度也較高，約為140 MPa。這是由于隨著焊接速度的提升，熱影響區(qū)的高溫持續(xù)時(shí)間與最高峰值溫度均低于低焊接速度時(shí)的，導(dǎo)致熱影響區(qū)寬度較窄，軟化程度較小[13-14]。所有的拉伸樣品均斷裂在軸肩邊緣，且從側(cè)面看斷裂方向與拉伸方向約成45°，即與最大剪切力方向及焊核區(qū)邊界一致。焊片的加入并沒(méi)有導(dǎo)致FSW接頭斷裂在焊核區(qū)，間隙填料FSW接頭的拉伸力學(xué)性能與常規(guī)FSW接頭的力學(xué)性能較為吻合[15-16]。800-200-P樣品由于焊接速度較低，熱影響區(qū)的高溫影響時(shí)間增長(zhǎng)，熱影響區(qū)析出相發(fā)生回溶或粗化，嚴(yán)重導(dǎo)致該接頭強(qiáng)度降低[17-18]。

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