6005A-T6厚板铝合金FSW焊接接头力学性能与疲劳性能研究

吴庆祝，许鸿吉，邱劲松，刘 楷

大连交通大学，辽宁 大连 116028

0 前言

6xxx系铝合金因密度低、比强度高、成形性好等优点而备受关注[1-3]。经过热处理的6005A铝合金具有优良的抗腐蚀性能和良好的抗挤压性能，常用于高速列车的侧墙和车顶等车身结构，可以减少自重和燃料的消耗[4-5]。20世纪末，德、法、日等发达国家率先实现了高速列车车身结构的全铝合金轻量化制造。21世纪初我国开始进行铝合金结构高速列车的研发和制造，到目前全铝合金车身结构已全面应用于“和谐号”系列高速动车组列车、新一代标准动车组复兴号列车以及各型轻轨地铁车辆的制造。

高强度铝合金焊接接头的疲劳行为和疲劳裂纹萌生、扩展等微观机理已成为近年来的研究热点[6]。如吴文波等[7]对3 mm厚度6005A-T6铝合金型材进行MIG角接焊接，发现了其力学性能及焊接参数对组织的影响；张富亮[8]等利用搅拌摩擦焊在4种不同的工艺参数下对3 mm厚6005A合金板材进行工艺对比实验，给出了特定板厚下搅拌摩擦焊的最佳参数；钮旭晶等[9]对不同装配条件下6005A-T6铝合金型材焊接接头进行疲劳试验，发现错边会降低试件的疲劳性能。这些研究都是针对薄板的力学性能及疲劳性能，对于6005A厚板的疲劳性能研究较少，因此本文对6005A铝合金厚板的对搭接搅拌摩擦焊焊接接头的力学性能和疲劳性能进行研究，以期为实际生产和相关工业产品制造提供数据支撑。

对搭接接头形式在列车型材结构件组装中较为常见，焊缝美观并具有较强的力学性能，能够大大节约材料的使用，但与常规FSW对接接头相比，对搭接FSW接头搭接末端往往存在一个类似于裂缝的未焊区，即Hook缺陷，该缺陷会对材料的净连接厚度产生影响，降低接头强度[10]。文中以24 mm厚的6005A-T6铝合金FSW对搭接焊接头为研究对象，通过开展拉伸试验、弯曲试验、疲劳试验和金相组织及断口形貌分析，得到对搭接FSW接头力学性能和疲劳性能试验数据，为企业生产和车体制造提供数据支撑。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验选用24 mm厚的6005A-T6铝合金厚板作为基材，其化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。待焊板材尺寸为3 000 mm×950 mm×24 mm，采用如图1所示的对搭接方式进行焊接。

表1 6005A-T6铝合金型材的化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of 6005A-T6Al-alloy profile（wt.%）

表2 6005A-T6铝合金的力学性能Table 2 Mechanical properties of 6005A-T6Al-alloy

图1 对搭接示意图Fig.1 Schematic diagram of the lap joint

1.2 试验方法

试验用设备为FOOKE搅拌摩擦焊设备。由于板厚较大需先点固再焊接，点固方式为采用4.8 mm搅拌针先进行整体焊接，随后用27.5 mm搅拌针再重复整个过程。焊接参数如表3所示。

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding process parameters

焊前使用丙酮清洗板材表面，去除氧化膜和表面油污；焊后按标准进行外观检查（ISO25239-5）、射线探伤（ISO17636）、渗透探伤（ISO3452）。在DMi8-Leica数码金相显微镜下观察母材、热影响区、热机影响区和焊核区的显微组织。按GB/T4342-1991《金属显微维氏硬度标准》测量接头维氏硬度分布，载荷500 gf，保持时间15 s，步长2 000 μm。

将型材加工成拉伸试件，按照标准（ISO4136-2001）进行焊接接头拉伸性能测验。使用LSM-6360V扫描电子显微镜对断后形貌进行扫描。

弯曲试验：将型材加工成弯曲试件，试验在微机控制电子式万能试验机上进行，将加工好的试件侧弯180°观察试件表面有无裂纹。

疲劳试验：将型材加工成疲劳试件，试验设备为PLC-200高频疲劳试验机。试验采用应力循环比R=0.1，指定循环寿命取1×106次。疲劳技术规格为：静态负荷精度±1%，动荷平均波动度±1%，动负荷振幅波动度±2%。

2 试验结果及分析

2.1 焊接接头金相组织

焊接接头宏观形貌及Hook缺陷示意如图2所示。由于采用对搭接FSW，Hook缺陷是无法避免的，但只要满足实际生产需求即能够达到所需的工艺强度。

图2 宏观形貌及HooK缺陷示意图Fig.2 Schematic diagram of macroscopic appearance and hook defect

焊接接头显微组织如图3所示。由图3a可知，焊核区显微组织主要为α（Al）相基体和其上分布的部分析出β（Mg2Si）相，由于受到搅拌头的热输入，焊核由外向内进行冷却，焊核最后冷却导致其晶粒形态为等轴树枝晶，晶粒均匀细小[6]。

图3 焊接接头显微组织Fig.3 Schematic diagram of the microstructure of the welded joint

如图3b可知，后退侧热机影响区晶粒由于同时受到热输入和机械搅拌的作用，晶粒粗大并被拉长。与之相比，前进侧（见图3c）晶粒更为粗大且具有一定方向。这是由于虽然前进侧和后退侧都受到了搅拌针的剪切力与母材的挤压力，但前进侧两者方向相反，晶粒变化更为剧烈，而后退侧两者方向相同。前进侧和后退侧热机影响区在搅拌针的剧烈搅拌作用下，塑性铝材料在接近焊核区的小部分区域发生了局部破碎和粘附长大现象，而其他部分的组织发生了较大程度的弯曲变形，并在焊接热循环作用下发生回复和再结晶[11]。与接头中的其他区域相比，热机影响区组织变化最为剧烈，在剧烈变化的粘附力和焊接热循环的综合作用下，形成了从粘附长大的破碎组织到弯曲变形的带状组织的变化梯度，其中还混有再结晶晶粒和回复晶粒[12]。

由图3d可知，热影响区晶粒变得粗大，沿轧制方向延长呈纤维状，由于没有外力作用，晶粒未发生变形。由图3e可知，母材区成分均匀，组织组成相较于热影响区变化不大，但晶粒较为细小。

2.2 硬度试验

焊接接头硬度变化曲线如图4所示，硬度分布呈“W”型。焊核区硬度较高，从中心向外，当达到TMAZ时呈下降趋势，在HAZ时达到最小值，然后硬度逐渐升高与母材等同水平，符合霍尔-佩奇公式的规律。以焊核为中心，两侧25.0～35.0 mm处和-30～-20 mm处因过时效的作用，Mg2Si强化相析出并聚集长大产生软化现象，导致硬度下降。

图4 焊接接头硬度变化曲线Fig.4 Hardness change curve of welded joint

2.3 拉伸试验

拉伸试验结果如表4所示。6005-T6铝合金焊接接头强度系数T=0.6，FSW时T=0.7。由表4可知，1号试件和2号试件强度系数均大于0.96，满足ISO 4136标准的要求，具有良好的拉伸性能。由此可见，Hook缺陷对对搭接街头的拉伸性能影响不大。

表4 试样拉伸试验结果Table 4 Tensile test results of specimens

拉伸试件宏观形貌如图5所示。两个试件均断于热影响区，这是由于焊接热循环作用导致热影响区存在软化现象，与硬度试验得出的结论相互印证。

图5 拉伸试件宏观形貌Fig.5 Macro of tensile specimen

1号、2号试样断口进行全貌、中心以及边缘的扫描，其结果如图6所示。可以看出，未出现对拉伸性能有明显影响的缺陷，均在合理范围内；中心和边缘断口组织形貌均为纤维状，且存在大量的韧窝，韧窝尺寸具有很大差异性，说明其抗拉能力很强。

图6 试板拉伸件断口扫描照片Fig.6 Scanning photo of the fracture of the tensile part of the test plate

2.4 弯曲试验

试板弯曲试验结果如表5所示，弯曲试件宏观形貌如图7所示，6005A-T6铝合金试件侧弯达到180°时，试件表面光滑、没有裂纹，说明弯曲性能良好，具有一定强度。

图7 弯曲试件宏观形貌Fig.7 Macro view of the bending test piece

表5 试板弯曲结果Table 5 Bending result table of test plate

2.5 疲劳试验结果及分析

通过升降法确定铝合金型材焊接接头指定寿命为1×107次循环下的中值疲劳极限，其疲劳极限升降图如图8所示。

图8 疲劳极限升降图Fig.8 Fatigue limit rise and fall diagram

由图8可知，6005A-T6铝合金型材对搭接单轴肩搅拌摩擦焊接头有三级应力水平，有效试件数为10个，共有5个子样对。通过升降法确定在焊接接头指定寿命为1×107次循环下的中值疲劳极限为：

由以上数据确定的铝合金焊接接头接头脉动拉伸疲劳的中值S-N曲线如图9所示。

2.6 焊接接头疲劳断口分析

24 mm厚铝合金型材疲劳试件有效试件数为10个，断裂位置都在焊核Hook附近，说明该位置存在较大的应力集中，是造成疲劳断裂的主要原因，试件宏观形貌如图10所示。

图10 疲劳试件宏观形貌Fig.10 Macro morphology of fatigue specimen

使用JSM-6360V扫描电子显微镜对疲劳断口进行扫描分析，照片如图11所示。

图11 疲劳断口扫描图片Fig.11 Scanned image of fatigue fracture

虽然对搭接FSW焊接不可避免地存在Hook缺陷，会降低焊接接头的疲劳性能，但其疲劳性能仍能满足工艺要求。由图11可知，试件的启裂区、扩展区具有疲劳断裂的典型特征。疲劳纹较为清晰，扩展区的大小随疲劳循环次数的增加而增大，终断区由大小不一的韧窝组成。在扫描图片中试件内部有一些小的气孔或夹杂，但这些内部的缺陷对铝合金的疲劳性能影响不大。

3 结论

（1）焊核晶粒主要为细小的等轴树枝晶，无方向性；由于前进侧和后退侧受外力和热输入双重作用，热机影响区晶粒粗大并有一定的变形，前进侧表现得尤为明显；热影响区显微组织与母材大体相似，只伴有晶粒长大的现象；母材的晶粒沿轧制方向延长呈纤维状。

（2）24 m厚6005A-T6铝合金型材对搭接单轴肩FSW接头硬度分布均近似W型，最低值在有软化现象的热影响区，符合霍尔-佩奇公式的规律。平均抗拉强度为241.58 MPa，接头强度系数大于0.96，拉伸性能良好。

（3）通过升降法确定6005A-T6铝合金型材对搭接单轴肩FSW接头脉动拉伸疲劳试验指定寿命为1×107次循环下的疲劳极限为54.5 MPa。

（4）接头断口平整，内部没有明显的对整体疲劳性能产生影响的缺陷，疲劳极限具有可靠性，疲劳试件具有明显的疲劳断裂特征，扩展区疲劳带走向清晰，终断区为明显的韧窝。