6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能分析

刘岩 王晓民 江雨汇 万学林 高岩

摘 要：试验采用搅拌摩擦焊焊接6082-T6铝合金薄板，研究刀具转数、进给角、板厚等参数对焊缝宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。结果表明，前进角度为3°时，焊缝宏观形貌最佳;工具转速为3 000 rpm，焊接速度为146 mm/min、196 mm/min时可以获得良好的焊缝宏观形貌;工具旋转速度3 000 rpm、焊接速度196 mm/min焊接时，在搅拌区的中心出现带状结构的氧化膜，但与力学性能无相关性。

关键词：铝合金;搅拌摩擦焊;氧化膜

中图分类号：TG453.9 文献标识码：A

0 序言

搅拌摩擦焊（FSW）是一种较新的焊接工艺，无烟尘、不使用填充材料、可与铝、铜、镁、锌、钢、钛等多种金属合金配合使用[1]。在有色金属连接方面具有独特优势而得到广泛关注，特别是铝合金焊接，已广泛应用于各种材料工业，包括航空航天、造船、轨道交通等。目前，6系列铝合金的FSW材料的研究相对较多，多数搅拌摩擦焊焊接的板厚为46 mm。6082-T6铝合金由于焊接性能差，熔化焊方法焊接时存在气孔、热裂纹和焊接接头软化等问题，使得接头强度无法满足服役要求，且汽车车体材料一般为2 mm厚的薄板，在不去除氧化膜的条件下，调控摩擦搅拌焊的工艺参数用于6082-T6 2 mm厚铝合金薄板焊接，使材料的微观组织性能与FSW焊接4 mm以上厚度的板材相似就有现实意义。试验研究刀具转数、焊接进给速度、板厚等参数对宏观形貌、微观组织和力学性能的影响，研究结果为实现铝合金材料高效高质量焊接加工奠定基础。

1 试验方法

试验选用2 mm 6082-T6铝合金平板，规格150 mm×100 mm，主要合金成分如表1所列。

试验采用LT-XJ08-1510-05X小型静龙门搅拌摩擦焊设备，组织观察采用蔡司AXIO Observer A1m金相显微镜，硬度试验采用THVS-5显微维氏硬度计，拉伸试验采用的为WDW-100型微机控制电子式万能试验机。

2 试验结果分析

2.1 前进角、刀具转速和焊接速度的影响

试验前进角度选择0°到5°，以1°为间隔，观察焊缝的外观形貌。试验结果表明当前进角为0°时，从肩部的前方产生大量的毛刺。当前进角为4°或5°时，由于肩部与焊件接触不充分也会产生大量的毛刺。当前进角度为1°和3°时，焊缝表面相对光滑，且前进角度为3°时，焊缝宏观形貌最佳。

焊接试验工具旋转速度分别为535 rpm，830 rpm和3 000 rpm，焊接速度选择17 mm/min～634 mm/min。当工具旋转速度535 rpm时，接头表面粗糙度较大，分析认为工具旋转速度低时产生的摩擦热较小，材料没有充分地软化，由于肩部的剪切力，焊缝在相对较低的温度下强烈变形。

试验结果表明在工具转速为830 rpm时，可以获得良好的焊缝宏观形貌。工具转速为3 000 rpm，焊接速度为146 mm/min、196 mm/min时可以获得良好的焊缝宏观形貌，但是在82 mm/min的焊接速度下，焊缝会产生大量的毛刺。

2.2 接头横截面的宏观结构

当板厚在4 mm及以上时，TMAZ和HAZ之间的边界线从焊件的前表面到后表面线性下降，在后表面附近时，会稍微向搅拌区中心收缩，形状为酒杯类型。分析认为收缩的主要原因是，在厚板厚约4 mm的情况下，FSW接头横截面后表面附近的塑性流动受销钉旋转的影响更大，而不是受到从肩部的前表面到后表面的力的影响。

本试验中，在FSW接头横截面中观察到的TMAZ和HAZ之间的边界线从焊件的前表面到后表面是线性的，如图2.1所示，并且在焊接构件的后表面附近没有太大的收缩，分析认为是试验中采用的厚度约为2 mm的薄板焊接部件背面附近的塑性流动具有强烈的肩部影响。

时进行FSW焊接接头横截面低倍光学显微镜照片。图中的中央部分为搅拌区域，虚线表示TMAZ和HAZ之间的边界线，宽度朝着板底部线性变窄，未观察到洋葱状的螺旋形，在搅拌部分的中央从底部到顶部观察到黑带状结构。

图2.2是工具旋转速度为3 000 rpm、焊接速度为196 mm/min时进行FSW焊接接头的横截面。搅拌区域的形状与图2.1相同，但是观察到黑带结构左右起伏。

2.3 氧化膜对接头横截面宏观结构的影响

焊接之前用1500號砂纸对焊接构件的焊接面进行抛光，采用与图2.2相同的工具旋转速度和焊接速度进行对比试验。试验结果表明搅拌部分的中心没有出现黑带状结构。故在搅拌部的中央观察到的带状结构认为是在焊接之前存在于焊件表面的氧化膜造成的。

如图2.1和2.2所示，在板材截面方向搅拌区的中心观察到黑带状图案。与板厚为4 mm的6N01Al合金T5FSW材料的接头截面结构相同。出现这种情况是由于在焊接之前焊接构件表面上已经存在氧化膜[2]。

试验中工具旋转速度3000 rpm和焊接速度196 mm/min焊接时，在搅拌区的中心均出现如图2.2所示的带状图案。

2.4 刀具旋转螺距对接头截面搅拌区形状和氧化膜分布的影响

冈村等人[3]认为，搅拌部分的形状取决于工具旋转螺距，即每旋转一圈的焊接距离（焊接速度/旋转速度）。当工具旋转螺距为0.3（mm/r）以上时，在焊缝表面的氧化膜以弯曲形状分布，并且在这种情况下，搅拌部为酒杯型。当工具旋转螺距为0.3（mm/r）以下时，焊缝表面的氧化膜以搅拌部为中心呈圆形分布，这时搅拌部成为洋葱型。

本试验旋转螺距约为0.05～0.07（mm/r）。当增加旋转螺距时，焊缝表面产生大量毛刺，这是因为肩部与焊件表面之间的摩擦热增加并且焊件过度软化。对于板厚为2 mm的薄板，分析认为难以像焊接厚板时在旋转螺距大幅度变化的焊接条件下，获得良好的焊接接头。而且冈村等人[3]认为，氧化膜的形态（洋葱形状或带状）与拉伸性能之间无相关性，并且拉伸性能仅在未焊接的部分处恶化。故尽管本实验观察到的氧化膜是带状，但因焊接效率很高，约为90%，并且断裂发生在搅拌区之外，因此可以获得良好的焊接接头。

3 结论

（1）前进角固定为3°，工具旋转速度830 rpm·196 mm/min、3 000 rpm·196 mm/min时，焊缝表面较为平整。

（2）FSW接头的搅拌区形状与厚板中看到的酒杯类型不同，搅拌区和TMAZ之间的边界从接头的前侧到后侧呈线性。

（3）接触部件表面附近的肩部旋转和中心处的销旋转有助于薄FSW中的塑性流动。

参考文献：

[1]汪洪峰，左敦稳，王珉，等.7022铝合金搅拌摩擦焊焊接区的组织与力学性能[J].华南理工大学学报（自然科学版），2010，38（11）：12-16.

[2]胡尊艳.焊后时效对6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响[D].北京交通大学，2008.

[3]于海东，谷松伟，谷文，等.7020T6铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究[J].一重技术，2017，56（02）：62-67.