6005A铝合金型材搅拌摩擦焊未焊合缺陷的搅拌摩擦补焊研究

中车长春轨道客车股份有限公司(130062)

张欣盟 何广忠 张 行 毛一伟

哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室(150001)

王相国 刘会杰



6005A铝合金型材搅拌摩擦焊未焊合缺陷的搅拌摩擦补焊研究

中车长春轨道客车股份有限公司(130062)

张欣盟 何广忠 张 行 毛一伟

哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室(150001)

王相国 刘会杰

搅拌摩擦焊未焊合缺陷多存在于焊缝根部，在受力加载时极易产生应力集中，进而发生破坏。首先选用不同针长的搅拌头在轨道车辆常用的6005A铝合金型材基体上，进行不同长度尺寸根部未焊合缺陷的制备。在此基础上，研究了搅拌摩擦焊接方法对上述不同未焊合缺陷的补焊效果。试验结果表明，在一定工艺参数下，通过改变搅拌头针长尺寸可以制备不同长度尺寸的未焊合缺陷。并通过焊缝表面成形、内部成形以及原始未焊合缺陷所在位置的微观组织和拉伸测试分析表明，未焊合缺陷尺寸越大对应的焊缝拉伸性能越低。但不同尺寸的未焊合缺陷在经过搅拌摩擦补焊后都能完全消失，且补焊接头性能与最优搅拌摩擦焊接头的性能相当，证明了搅拌摩擦补焊方法对于消除未焊合缺陷的有效可行性。

铝合金型材 未焊合缺陷 搅拌摩擦补焊

0 序 言

作为一种固相焊接技术，搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)的焊接温度一般低于被焊材料的熔点，从而可以避免因材料熔化而产生的气孔、裂纹、变形等缺陷。由于FSW的优质高效、低能耗无污染、焊接变形小、焊缝性能优异，以及焊接过程无烟尘、弧光、飞溅、合金烧蚀，并且不需要焊剂、填充材料等显著优点，该技术经过10多年的研究发展，实现了航空、航天等领域的工业化应用[1-2]，并已成为轨道客车铝合金车体制造焊接技术的主流发展趋势[3-5]。

FSW技术为纯机械化的焊接技术，其过程是通过类似于机械加工的机床运动实现，焊接过程相对稳定。但在实际工业化应用过程中，常受工件尺寸精度、组配效果、搅拌头磨损状况等因素影响，导致焊缝根部未焊合缺陷的产生。因该类缺陷存在于焊缝根部，在受力加载时，极易产生应力集中，进而发生破坏。因此，如何对搅拌摩擦焊未焊合缺陷的高质量修复实际意义显著。迄今，关于此方面的研究已有报道，但大多是围绕平板对接接头进行[6-7]，而针对轨道客车铝合金车体常采用的中空挤压型材对搭接复合接头形式的研究还未见报道。为此，文中首先通过选用不同针长的搅拌头在轨道车辆常用的6005A-T6铝合金中空挤压型材基体上，进行不同长度尺寸根部未焊合缺陷制备。在此基础上通过焊缝表面成形、内部成形以及原始未焊合缺陷所在位置的微观组织和拉伸测试，对搅拌摩擦补焊的效果进行了研究。

1 试验材料与方法

试验材料为6005A-T6铝合金中空挤压型材，焊缝位置的型材壁厚为4.7 mm，型材整体高度为30 mm。FSW焊缝接头为对搭接复合接头形式。试验材料结构形式如图1所示，其化学成分见表1。该材料的室温抗拉强度为290 MPa。

图1 试验用铝合金中空挤压型材示意图

采用内凹轴肩端面、搅拌针侧面开有锥状螺纹的搅拌头进行未焊合缺陷的制备。其中将搅拌头结构参数表述为“D×d×L×”形式，D，d和L分别表示搅拌头轴肩直径、搅拌针根部直径和搅拌针长度，其后数字“×”表示对应各结构处的具体数值，其单位为mm。通过使用不同针长的搅拌头进行不同尺寸的未焊合缺陷制备。具体的搅拌头尺寸和制备工艺参数见表2～3。为对比分析，其中编号为0的搅拌头用于制备没有未焊合缺陷的优质接头。采用轴肩端面螺形槽、搅拌针侧面开有锥状双螺纹的搅拌头D24d9.0L4.5对所制备的不同尺寸未焊合试样进行补焊。补焊的工艺参数见表3。

表1 试验用铝合金化学成分(质量分数，%)

表2 制备未焊合缺陷及修补所用的搅拌头

表3 未焊合缺陷制备及补焊所用工艺参数

采用拉伸测试方法评价补焊接头的力学性能。由于型材不同部位的板厚存在较大差异，为了充分反映补焊工艺对补焊接头力学性能的影响，制备如图2所示的非标准拉伸试样。同时为保留中空挤压型材结构的完整性，直接体现焊缝拉伸强度，保留了如图2b所示尺寸为10 mm的焊缝背部结构尺寸。

图2 拉伸试样

2 试验结果及分析

2.1 搅拌摩擦焊未焊合接头的微观组织

采用上述搅拌头和工艺参数制备的未焊合缺陷如图3所示，其中缺陷垂直高度分别达到0.2 mm，0.7 mm 和1.2 mm。从图3可以看出，在相同工艺条件下，通过调整搅拌针长度可有效控制未焊合缺陷的尺寸。其中，随着搅拌针长度的缩短，焊缝根部未焊合缺陷长度随之变大。这主要是因为在搅拌摩擦焊焊接过程中搅拌针直接扎入待焊焊缝内部并对塑化金属产生搅拌转动作用;当搅拌针长度较短时，其底部未受到搅拌针作用的区域增多，从而导致焊缝根部未焊合缺陷尺寸的增大。

图3 不同尺寸未焊合缺陷搅拌摩擦焊接接头组织

2.2 搅拌摩擦补焊焊缝形貌

补焊接头的焊缝表面成形、内部成形以及原始未焊合缺陷所在位置的微观组织分别如图4～5所示。由图5可知，无论原始的未焊合缺陷尺寸多大，在经过FSW补焊后，焊缝表面成形美观，原始未焊合缺陷完全消失，其所在位置已被新的、致密的FSW焊缝所取代。

由此可以看出，在合理选用搅拌头及对应的优化工艺参数条件下，可实现不同尺寸未焊合缺陷的修复。因通过较大尺寸轴肩、搅拌针直径以及搅拌针长度时，可有效增大热输入量，增大搅拌头对塑性金属的搅拌转移作用区域，形成对未焊合区域的二次搅拌，从而实现对此类缺陷的良好修复。

图4 含有未焊合缺陷的焊缝及其FSW补焊焊缝表面形貌

图5 原始未焊合缺陷尺寸不同的补焊焊缝横截面

2.3 补焊接头的力学性能

对含有不同尺寸未焊合缺陷的接头及其FSW补焊后的接头进行拉伸测试，所得接头的拉伸性能如图6所示。由图6a可以看出，对于没有未焊合缺陷的0号试样，其抗拉强度为222 MPa，断后伸长率为5.5%。1号试样的未焊合缺陷高度为0.2 mm，其抗拉强度为221 MPa，与优质接头相当；2号试样的未焊合缺陷高度为0.7 mm，其抗拉强度下降至189 MPa；3号试样的未焊合缺陷高度达到1.2 mm，其抗拉强度降到182 MPa。由此可见，未焊合缺陷对接头性能有重要影响，随着缺陷高度的增加，接头性能降低。这主要是因为随着未焊合缺陷尺寸的增加，焊接接头的有效承载面积降低所致。

由图6b可知，经过FSW补焊后，1～3号试样的接头抗拉强度分别达到228 MPa,221 MPa和225 MPa，断后伸长率分别为7.1%,5.3%和6.9%。由此可见，FSW补焊后的接头性能与最优接头性能相当，说明FSW补焊方法是有效可行的。

图6 未焊合缺陷消除前后的接头力学性能

接头性能与断裂位置有着密切的关系。对于含有未焊合缺陷的接头而言，拉伸测试时，接头首先在未焊合缺陷处开裂，并沿焊核区扩展。此时接头的性能既与缺陷尺寸有关，又与焊核区的组织特征有关。没有未焊合缺陷的接头，包括经过补焊后未焊合缺陷消失的接头，其拉伸开裂出现在焊缝后退侧的热影响区，接头性能完全由热影响区的软化所决定的[8]。

3 结 论

(1)通过改变搅拌头尺寸、调整焊接工艺参数或改变焊接工况，可以制备不同类型及不同尺寸的FSW未焊合缺陷。

(2)不同尺寸的未焊合缺陷在合理选用补焊搅拌头和补焊工艺情况下，能够对其进行有效修复。补焊接头性能与最优FSW接头性能相当，证明了FSW补焊方法对于消除未焊合缺陷的有效可行性。

[1] Mishra R S，Ma Z Y. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering R，2005，50:1-78.

[2] 张欣盟，杨景宏，王春生，等. 搅拌摩擦焊技术及其应用发展 [J]. 焊接，2015(1):29-32.

[3] Takeshi K，Toshiaki M，Kentarou M，et al. Application of friction stir welding to construction of railway vehicles [J]. The Japan Society of Mechanical Engineers A，2004，47(3):502-511.

[4] 栾国红，胡煌辉，柴 鹏. 搅拌摩擦焊-新型列车制造新技术[J]. 电力机车与城轨车辆，2006，29(4):40-43.

[5] 朱文峰，徐 春. 高速列车铝合金车身双热源搅拌摩擦焊仿真 [J]. 焊接学报，2008，29(10):45-49.

[6] Adamowski J，Gamvaro C，Lertora E，et al. Analysis of FSW welds made of aluminium alloy AW6082-T6 [J]. Archives of Materials Science and Engineering，2007，28(8):453-460.

[7] 刘会杰，张会杰，黄永宪，等. 搅拌摩擦焊接缺陷的补焊方法 [J]. 焊接学报，2009，30(1)：1-4.

[8] 秦国梁，张 坤，张文斌，等. 6013-T4铝合金薄板搅拌摩擦焊热输入对焊缝成形及组织性能的影响[J]. 焊接学报，2010，31(11):5-8.

2016-06-21

TG453

张欣盟，1980年出生，博士，高级工程师。主要从事轨道车辆焊接工艺方面的研究，已发表论文10余篇。