厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔补焊接头组织与性能

刘 杰，杨景宏，韩凤武，宫文彪

（1中国北车集团长春轨道客车股份有限公司，长春130062；2长春工业大学先进结构材料教育部重点实验室，长春130012）

厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔补焊接头组织与性能

刘 杰1，杨景宏1，韩凤武1，宫文彪2

（1中国北车集团长春轨道客车股份有限公司，长春130062；2长春工业大学先进结构材料教育部重点实验室，长春130012）

研究了35mm厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔补焊工艺，应用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及电子拉伸试验机等对接头的组织与性能进行了研究。结果表明，采用铝合金块材填充匙孔后进行FSW焊接，获得成型良好、表面光滑的焊缝；未加填充材料的匙孔位置，焊缝表面出现沟槽缺陷。FSW焊接一次接头的前进侧焊核区与热力影响区之间存在“吻接”缺陷；FSW焊接二次和三次接头的前进侧和后退侧过渡区均连接良好，二者组织无明显差别；FSW焊接一次和二次接头显微硬度分布呈W型，硬度最低值均出现在前进侧热影响区分别为56HV和60HV；采用搅拌头旋转速率为720r／min，焊接速率为180mm／min焊接工艺条件下，FSW焊接一次、二次和三次接头抗拉强度分别达到173、210和205 MPa。

铝合金；搅拌摩擦焊；焊接工艺；组织；性能

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是一项固相连接技术。该技术依靠高速旋转的搅拌头与两焊件接触产生摩擦热，使接缝处金属产生塑性软化区，旋转的搅拌头周围塑性软化金属受到搅拌挤压，并随搅拌针的旋转沿焊缝前进侧向后退侧方向流动，塑性金属待搅拌针离开冷却后形成焊缝，实现了固相连接［1－3］。

目前铝合金是最适合搅拌摩擦焊接的材料之一，轨道车辆铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好和易于制造复杂美观曲面车体而受到世界各城市交通公司和铁道运输部门的欢迎［4］。采用搅拌摩擦焊技术制造轨道客车铝合金车体已成为国内外发展趋势，加快研究铝合金搅拌摩擦焊接头的行为至关重要。

对铝合金搅拌摩擦焊工艺及接头行为的研究较多［5－7］，而有关实际生产过程中铝合金搅拌摩擦焊焊缝末端闪缝及匙孔补焊等问题的研究较少。本工作选用高速列车铝合金车体用35mm厚板铝型材，重点研究匙孔位置接头组织与性能，为加快铝合金车体搅拌摩擦焊应用于生产提供理论依据。

1 实验材料与方法

实验用铝合金为35mm厚的6005A－T6铝合金型材，化学成分见表1。焊接型材尺寸规格为3100mm× 453mm×35mm。

表1 铝合金化学成分（质量分数／%）Table 1 Chemical composition of aluminium alloy（mass fraction／%）

焊接实验在型号为FSW－LM－5025的搅拌摩擦焊设备上进行，采用螺旋锥形搅拌头。焊接工艺流程为：反装组对→反装段焊→反装焊接→翻转工件→正装焊接→焊后修补。段焊方法为从起焊位置每隔200mm距离段焊200mm，段焊实验所用搅拌头的轴肩直径为32mm，搅拌针根部直径为14．4mm，长度为18mm。旋转速度为720r／min；主轴前倾角为2．5°；预热时间为10s；焊接速率为180mm／min。为防止实际焊接过程中焊接末端闪缝，采用FSW焊段焊工艺，段焊后长度为3100mm的部件照片，如图1所示。段焊留下的匙孔，采用以下2种方式预先处理：（1）未加填充材料，如图2所示；（2）用铝合金块材（与母材同质）填充到匙孔处并压实，如图3所示。匙孔处理后正式焊接工艺与以上段焊工艺参数一致，分别进行FSW一次焊、二次焊和三次焊实验；对FSW焊方法修复未填充匙孔位置时造成表面沟槽缺陷，采用MIG焊进行焊后修补。

焊接实验完成后，依据标准ISO15614—2005［8］分别在匙孔位置制取金相低、高倍试样，拉伸试样和弯曲试样。应用S－3400N型扫描电镜和EDAX能谱对样品组织和成分进行分析。拉伸和弯曲实验在室温条件下，在CSS251DL－500型电子万能试验机上进行实验，加载速率10mm／min。实验后对断口进行形貌分析。

2 实验结果与分析

2．1 接头微观组织

2．1．1 匙孔（未填充）FSW焊接头形貌及组织

在上述工艺条件下，对段焊后的35mm厚6005AT6铝合金部件进行搅拌摩擦焊接。实验结果表明，采用铝合金块材填充FSW焊接后，获得成型良好、表面光滑的焊缝；未加填充材料的匙孔位置，焊缝表面出现了沟槽缺陷，如图4所示。图5是对表面沟槽缺陷采用MIG熔化焊补焊后的接头组织。由图可见，热影响区内晶粒明显粗化；熔合区靠基材一侧组织呈等轴晶组织；靠焊缝一侧晶粒沿散热方向呈柱状晶；焊缝区为典型的树枝状晶铸造组织。

2．1．2 匙孔（填充）FSW焊接头组织

图6 焊缝低倍组织形貌Fig．6 Image of the FSW weld joint

图6是进行FSW二次焊实验焊缝低倍组织形貌。由图可见，焊缝区成哑铃型，双面焊接的重合区近1mm。焊缝低倍组织视场存在明暗差异，图中A区为前进侧，B区为后退侧。焊接接头分为4个区：焊缝中心部分为焊核区（Weld nugget zone简称WNZ）；焊核区两侧为热－力影响区（Thermal－mechanical affected zone，TMAZ）；热－力影响区以外只受焊接过程热影响的区域称为热影响区（Heat affected zone简称HAZ）；未发生组织和性能变化部分为母材区（Base metal zone，BMZ）［9］。FSW二次焊后前进侧热力影响区与热影响区过渡区（A）交和后退侧过渡区（B）交界线均模糊不清；FSW三次焊后焊缝低倍组织形貌与焊接二次的组织相似。

图7是FSW焊接一次的焊缝前进侧（焊核区和热力影响区之间）过渡区、后退侧过渡区的微观组织。焊接过程中，前进侧首先受到搅拌针的作用，焊接速率恒定，材料塑性流动不充分，焊核区（填充块）与热力影响区之间存在清晰的白色线，如图7（a）所示；经局部放大观察和结合能谱分析可知，白色结合线位置局部存在“吻接”缺陷，如图8所示。填充的铝合金块部分未发生变化，前进侧为接头的薄弱区域；后退侧过渡区受到搅拌头强烈的搅拌作用及剧烈摩擦产生局部高温作用，可见明显的螺旋纹，较前进侧塑性金属流动充分，白色区域组织发生动态再结晶，组织为细小等轴晶，晶粒度为7级；深灰色区域金属也发生了塑性流动，未发生再结晶，如图7（b）所示。

图7 FSW焊接一次（匙孔位置）的接头组织（a）前进侧；（b）后退侧Fig．7 Microstructures of FSW welded joint（a）advancing side；（b）retreating side

图8 局部放大照片（图7（a））Fig．8 Macrophotograph of the FSW gap welding sample（in fig．7（a））

图9是FSW焊接二次的焊缝前进侧过渡区、后退侧过渡区的微观组织。在接近焊核区的热力影响区，即靠近搅拌针边缘外侧，该区搅拌头的搅拌作用不充分，母材组织未完全破碎，在搅拌头旋转力和进给力双重作用下，受热剪切发生较大的晶粒变形，晶粒被明显拉长，表明该区域的金属承受了较大拉伸变形；热影响区受热循环作用组织粗化，但未发生塑性变形，如图9（a）所示；后退侧未见螺旋纹，焊核区、热力影响区和热影响区无明显分界，晶粒尺寸变化梯度比前进侧小，后退侧过渡区较前进侧宽，如图9（b）所示；焊接三次的焊缝前进侧过渡区、后退侧过渡区的微观组织与焊接二次的焊缝组织相似，前进侧未见明显的螺旋纹，与后退侧的组织几乎没有差异。

图9 FSW焊接二次的接头组织（a）前进侧；（b）后退侧Fig．9 Microstructures of FSW welded Joint（a）advancing side；（b）retreating side

2．2 FSW焊接头显微硬度

图10为FSW焊接头显微硬度分布，分别给出焊接一次和二次的焊缝上部显微硬度曲线（图中0点为焊缝中心位置，具体位置见图6所示）。由图可以看出，接头硬度分布呈W型，焊接一次和二次硬度最低值均出现在前进侧热影响区，分别为56HV和60HV。从前进侧热影响区开始，随着距焊缝中心距离的减小，硬度逐渐增大，直到后退侧的热影响区再次降低，最后恢复到母材硬度95 HV。焊接二次的接头硬度与焊接一次接头硬度相比，前进侧硬度与后退侧硬度值无明显差别，后退侧的硬度值降低，进一步验证前进侧热影响区是焊接接头的薄弱区域，同时焊接次数对后退侧接头硬度影响较大。

2．3 FSW焊接次数对接头性能的影响

图10 35mm厚的FSW焊接头显微硬度分布Fig．10 Microhardness distribution of 35mm－thick welded joint by friction stir welding

在搅拌头旋转速率为720r／min，焊接速率为180mm／min焊接工艺条件下，匙孔位置焊接一次的接头抗拉强度为173MPa，断裂位置起始于焊缝前进侧（反装）的热力影响区，扩展至双面焊接重合区时，沿着焊缝后退侧（正装）热影响区直至断裂，如图11（a）所示。焊接试样经180°侧弯试验后，焊缝在热力影响区出现长度3mm的裂纹；FSW焊接二次的接头抗拉强度为210MPa，断裂位置起始于焊缝前进侧（反装）的热影响区，扩展至双面焊接重合区时，沿着焊缝后退侧（正装）热影响区直至断裂，如图11（b）所示。焊接试样侧弯试验后，焊缝位置未出现裂纹；焊接三次的接头抗拉强度为205MPa，断裂位置与焊接二次一致，侧弯试验后，焊缝位置未出现裂纹。性能测试结果与微观组织分析结果一致。

图11 拉伸实验断裂位置（a）FSW焊接一次；（b）FSW焊接二次Fig．11 Different of fracture location of tensile samples（a）once－welding；（b）twice－welding

3 结论

（1）采用铝合金块材填充匙孔后进行FSW焊接，获得成型良好、表面光滑的焊缝；未加填充材料的匙孔位置，焊缝表面出现沟槽缺陷。

（2）FSW焊接一次接头的前进侧焊核区与热力影响区之间存在局部“吻接”缺陷；FSW焊接二次和三次接头的前进侧过渡区和后退侧过渡区连接良好。

（3）FSW焊接一次和二次的焊缝显微硬度分布呈W型，硬度最低值均出现在前进侧热影响区，分别为56HV和60HV；焊接二次的接头硬度与焊接一次接头硬度相比，前进侧硬度与后退侧硬度值相当，后退侧的硬度值降低。

（4）在搅拌头旋转速率为720r／min，焊接速率为180mm／min焊接工艺条件下，FSW焊接一次接头抗拉强度为173MPa，断裂位置起始于焊缝前进侧（反装）的热力影响区；FSW焊接二次和三次接头抗拉强度分别为210MPa和205MPa，断裂位置起始于焊缝前进侧（反装）的热影响区。

［1］ RAJAKUMAR S，MURALIDHARAN C，BALASUBRAMANI AN V．Influence of friction stir welding process and tool parameters on strength properties of AA7075－T6 aluminium alloy joints［J］．Materials and Design，2011，32：535－549．

［2］ CHEN Z W，PASANG T，QI Y．Shear flow and formation of Nugget zone during friction stir welding of aluminium alloy 5083－O［J］．Materials Science and Engineering A，2008，474：312－316．

［3］ BARCELLONA A，BUFFA G，FRATINI L，et al．On microstructural phenomena occurring in friction stir welding of aluminium alloys［J］．Journal of Material Process Technology，2006，177：340－343．

［4］ 王炎金．铝合金车体焊接工艺［M］．北京：机械工业出版社，2009．

［5］ KRISHNAN K N．On the formation of onion rings in friction stir welds［J］．Materials Science and Engineering A，2002，327：246－251．

［6］ 柯黎明，潘际銮，邢丽，等．铝合金搅拌摩擦焊焊缝形成的物理机制［J］．材料工程，2008，（4）：33－37．

［7］ 刘杰，王炎金，宫文彪，等．35mm厚板铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能研究［J］．焊接学报，2012，33（5）：27－32．

［8］ ISO15614－2005，金属材料焊接工艺规范及资格评定［S］．

［9］ TYNSKA L L，BRAUN R，STANIEK G，et al．TEM study of the microstructure evolution in a friction stir－welded AlCu Mg Ag alloy［J］．Materials Chemistry and Physics，2003，81（3）：293－295．

E－mail：liujie．a＠cccar．com．cn

Microstructures and Properties of Thickness Aluminium Alloy Eleocellarium Repairing Welding Joint by Friction Stir Welding

LIU Jie1，YANG Jing－hong1，HAN Feng－wu1，GONG Wen－biao2
（1 CNR Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，Changchun 130062，China；2 Key Laboratory of Advanced Structural Materials（Ministry of Education），
Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

The welding technology of 35mm thickness aluminium alloy eleocellarium repairing welding was investigated．Microstructures and properties of the welding joint have been studied by using optical microscope，scanning electron microscope，energy spectrum analysis，micro－hardness tester and electron tensile testing machine．Experimental results show that the formation of weld is good and there are no defects of tunnel，hole and groove defect by FSW after filling eleocellarium with aluminum alloy block，and there are groove defects by FSW without filling eleocellarium．The visible clear kiss defect was formed between weld nugget zone and thermal－mechanical affected zone in advencing side when welding with FSW once；The transition zone of advancing and retreating side were formed well between weld nugget zone and thermal－mechanical affected zone in advancing side when welding with FSW twice and thrice．The microhardness of once and twice welding distributing was W model and reached 56HV and 60HV in heat affected zone of advancing side．The joint tensile strength of welding once，twice and thrice reached 173，210MPa and 205MPa at rotation speed of 720r／min and welding speed of 180mm／min．

aluminum alloy；friction stir welding；welding technology；microstructure；property

TG456．98

A

1001－4381（2012）07－0029－05

基金项目：吉林省科技发展计划项目（20100362）；长春轨道客车股份有限公司技术开发项目（J0000000018K）．

2011－07－26；

2012－04－06

刘杰（1979—），女，博士，研究方向为新材料连接，联系地址：长春市青荫路435号长春轨道客车股份有限公司工业化部（130062），