6005A-T6鋁合金對搭接FSW接頭微觀組織與力學性能

摘要：

對4.5 mm厚6005A-T6鋁合金型材對搭接FSW接頭研究其組織與力學性能。研究表明，FSW接頭成形良好，焊核內部沒有缺陷；焊核區“S"線呈現不連續分布狀態，焊核區為再結晶后細小等軸晶粒，熱影響區的強化相在高溫影響下析出形成接頭“軟化區"；拉伸試驗表明，接頭斷裂于熱影響區，抗拉強度為256 MPa，達到母材的84%；彎曲試驗表明，接頭彎曲性能合格；硬度試驗表明，接頭硬度值為69HV，整個焊接接頭區域硬度值較為平均，無明顯波動起伏；脈動拉伸疲勞試驗測得接頭的中值疲勞強度為97 MPa；適當提高鋁合金FSW焊接速度，不僅可以優化接頭力學性能，而且可顯著提高焊接生產效率，對實際生產具有十分重要的意義。

引言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型固相連接技術，具有優質高效、節能環保等優點，主要應用于鋁、鎂等輕型合金的焊接。近幾年，該技術廣泛應用于輕軌、地鐵、城域列車及高速列車車體領域。單軸肩攪拌摩擦焊也廣泛應用于軌道車輛中。在FSW焊接時，軸向載荷較大，為實現施焊過程中的剛性固定問題，利用中空型材的搭接面代替背襯墊板；此外，焊接時可能產生飛邊使焊縫減薄，因此設置了凸臺部分來彌補材料損失。基于上述焊接需求，對地鐵側墻的裝配焊接，中空鋁合金型材對搭接接頭就成為優選接頭形式。目前，對于6xxx系鋁合金FSW報道的結果中，大多數采用<1000 mm/min的較低焊接速度。焊接速度已成為制約攪拌摩擦焊部件生產的最大瓶頸。本文采用優化后的攪拌頭在提高轉速與焊接速度條件下，對6005A-T6鋁合金對搭接接頭進行攪拌摩擦焊，并對接頭微觀組織和相關力學性能進行表征分析。

1 試驗方法與過程

試驗材料：厚4.5 mm的6005A-T6地鐵薄壁鋁合金型材，其化學成分（質量分數，%）為：Si 0.59，Mg 0.57，Fe 0.18，Mn 0.12，Cu 0.09，Zn 0.02，Cr 0.01，Ti 0.01，Al余量。力學性能實測值為：屈服強度224 MPa，抗拉強度302 MPa，斷后伸長率6%。

６００５Ａ－Ｔ６ 鋁合金ＦＳＷ 對搭接接頭尺寸試樣圖

焊接工藝： 選用優化后的攪拌頭，單軸肩攪拌摩擦焊設備，焊接速度1100 mm/min，攪拌頭旋轉速度1500 r/min，前傾角1.5°，裝配間隙0 mm，錯邊量≤0.3 mm。坡口形式為I形，t1=t2=4.5 mm。

檢測與試驗：

外觀檢查與滲透檢測，符合ISO 25239-5:2011標準。

金相觀察：DMi8-Leica數碼金相顯微鏡。

拉伸試驗：WDW-3300電子萬能試驗機，5 mm/min應變速率，室溫。

彎曲試驗：20 mm/min彎曲速率，2個面彎+2個背彎。

硬度試驗：FM-700維氏硬度儀，500 g載荷，保壓15 s，沿焊縫中心線每隔0.5 mm打點。

疲勞試驗：PLG-100高頻疲勞試驗機，循環應力比0.1，壽命1×10?次，按GB/T 13816-1992標準。

2 試驗結果與分析討論

2.1 金相組織分析

接頭宏觀形貌： 焊核區金屬塑性成形良好，無hook缺陷；“S"線斷續存在，痕跡較淺；搭接面間隙約0.33 mm。

母材組織：晶粒沿軋制方向拉長，強化相彌散分布，存在β″沉淀相。

熱影響區（HAZ）：晶粒粗化，析出β′（Mg?Si）相，因過時效導致軟化。

熱機影響區（TMAZ）：晶粒被拉長、變形，動態再結晶明顯。

焊核區（NZ）：細小等軸晶，動態再結晶充分，無缺陷。

接頭宏觀照片

ＦＳＷ 接頭顯微組織

2.2 拉伸試驗

結果：接頭平均抗拉強度256 MPa，為母材的84%；斷裂位置在HAZ，斷口為韌性斷裂（等軸韌窩）。

原因： HAZ晶粒粗大、析出相增多，屈服強度降低。

ＦＳＷ 接頭室溫拉伸試件宏觀照片

ＦＳＷ 接頭拉伸試件的斷口形貌

2.3 彎曲試驗

結果：面彎和背彎試件彎曲角達180°，無裂紋，彎曲性能合格。

ＦＳＷ 接頭彎曲宏觀照片

2.4 硬度試驗

硬度分布：呈“W"形，HAZ（69 HV），焊核區75-89 HV，整體波動小。前進側TMAZ硬度略高于后退側（機械攪拌更強烈）。

ＦＳＷ 接頭顯微維氏硬度分布

2.5 疲勞試驗

中值疲勞強度：97 MPa（1×10?次循環）。

斷裂位置：高應力（150 MPa）時斷于焊核（搭接面間隙0.33 mm為薄弱區）；低應力時斷于母材圓弧過渡處。

斷口形貌：

高應力焊核斷口：啟裂區為45°斜向撕裂棱，擴展區為河流狀準解理，終斷區為韌窩（韌性斷裂）。

低應力母材斷口：啟裂源于內部夾雜，擴展區為致密疲勞條紋，終斷區為深韌窩（典型疲勞斷裂）。

ＦＳＷ 接頭疲勞試驗Ｓ－Ｎ 曲線

部分接頭脈動拉伸疲勞試件宏觀照片

ＦＳＷ 接頭疲勞試件ＧＪ－１ 斷口形貌

ＦＳＷ 接頭疲勞試件ＧＪ－２ 斷口形貌

3 結論

1. 組織特征：接頭無缺陷，母材纖維狀晶粒，HAZ晶粒粗化，TMAZ晶粒變形，NZ為細小等軸晶。

2. 力學性能：焊接速度1100 mm/min下，接頭抗拉強度256 MPa（母材84%），彎曲180°無裂紋，硬度69 HV，疲勞強度97 MPa。

3. 優化意義：提高焊接速度可兼顧性能與效率，對實際生產有重要價值。