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6082铝合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能

秦丰, 周军, 侯振国, 钮旭晶

秦丰, 周军, 侯振国, 钮旭晶. 6082铝合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(2): 75-80. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201231001
引用本文: 秦丰, 周军, 侯振国, 钮旭晶. 6082铝合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(2): 75-80. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201231001
QIN Feng, ZHOU Jun, HOU Zhenguo, NIU Xujing. Research on microstructure and properties of double-sided friction stir welding joint of 6082 aluminum alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(2): 75-80. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201231001
Citation: QIN Feng, ZHOU Jun, HOU Zhenguo, NIU Xujing. Research on microstructure and properties of double-sided friction stir welding joint of 6082 aluminum alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(2): 75-80. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201231001

6082铝合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能

基金项目: 黑龙江省自然科学基金项目(TD2020E002)
详细信息
    作者简介:

    秦丰,硕士;主要从事摩擦焊工艺与装备研究工作;Email:banchunqiu@163.com.

    通讯作者:

    周军,研究员,博士研究生导师;Email: mch_zhoujun@126.com.

  • 中图分类号: TG 453.9

Research on microstructure and properties of double-sided friction stir welding joint of 6082 aluminum alloy

  • 摘要: 文中研究了改变搅拌针针长与焊缝相对位置对25 mm厚6082-T6铝合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响规律. 结果表明,当搅拌针针长不足以覆盖1/2板厚时,针端搅拌力不足,焊缝中心存在大尺寸缺陷,拉伸与弯曲性能较差;当搅拌针针长超过1/2板厚0.5 mm时,焊缝中心依然存在间隙,但不明显影响拉伸与弯曲性能;当继续增加搅拌针针长时,焊缝中心缺陷消除,弯曲性能良好,但接头强度随针长继续增加而降低. 针长为14 mm时接头综合性能最好;同时发现焊接方向与横向偏移方向影响接头弯曲性能,当反面焊缝向后退侧偏移2.5 mm时,弯曲试样完好,当反面焊缝向前进侧偏移2.5 mm时,性能较为薄弱的后退侧HAZ会靠近焊缝中心,导致弯曲试样开裂.
    Abstract: The effects of needle length and weld position on microstructure and properties of 25 mm thick 6082-T6 aluminum alloy double-sided friction stir welding were studied in this paper. The results show that when the length of the stirring needle is not enough to cover half the thickness of the plate, the stirring force at the end of the stirring needle is insufficient, and there exist large defect in the weld center, and the tensile and bending properties are poor. When the length of the stirring needle is just over 1/2 plate thickness, there is still a small defect in the weld center, but it does not affect the tensile and bending properties obviously. When the length of the stirring needle continues to increase, the defects in the center of the weld are eliminated and the bending performance is good, but the joint strength decreases with the needle length continues to increase. In this study, the joint comprehensive performance is the best when the needle length is 14 mm. At the same time, it is found that the welding direction and the lateral offset direction affect the bending performance of the joint. When the reverse weld is offset by 2.5 mm to the retreat side, the bending sample is intact. When the reverse weld is offset by 2.5 mm to the advanced side, the backward HAZ with weaker performance will be close to the weld center, leading to the cracking of the bending sample.
  • 轻量化设计是轨道车辆行业发展的必由之路,也是该行业追求的长远目标. 降低列车自重可以减小运行阻力,有利于列车提速,而铝合金的使用是实现该目标的首选途径,其中6082铝合金为Al-Mg-Si系可处理强化铝合金,具有耐腐蚀性高、强度高、焊接性优良等特点,广泛应用于轨道车辆行业.

    搅拌摩擦焊作为新兴的固相焊接技术,与熔化焊相比能够缩小时效强化铝合金焊后软化区宽度,同时可以避免焊缝生成气孔缺陷,尤其适用于铝合金的焊接.

    对于20 mm以上中厚铝板的焊接,双面搅拌摩擦焊作为可采取的焊接方式之一,能够很好的解决单面焊根部未焊合与弱连接缺陷问题,而且在焊接相同厚度材料时,双面FSW与单面FSW相比,对设备轴向力要求更低.

    目前关于6082铝合金搅拌摩擦焊接相关报道均集中于研究织构组份演化[1]、搭接接头缺陷控制[2]、焊接接头组织性能与强化相分布[28]、单面焊接头根部缺陷[9]、焊接热循环[1013]等内容,而关于FSW双面焊时搅拌针针长与焊缝相对位置对接头组织与性能影响的相关研究较少.

    文中以25 mm 厚6082-T6铝合金为研究对象,通过调整搅拌头针长、正面与反面焊缝相对位置分析了焊缝重叠尺寸、正反面焊接方向与横向偏移方向对6082-T6铝合金双面FSW的显微组织、显微硬度、力学性能的影响,并研究了拉伸断口特征.

    试板材料为6082-T6铝合金(执行标准EN 485-2:2008),母材化学成分与力学性能见表1表2,母材原始组织形貌见图1,受板材轧制影响,母材晶粒呈长板条状,细小的Mg2Si强化相质点在基体上呈弥散分布. 试板尺寸为400 mm × 150 mm × 25 mm.

    表  1  6082-T6化学成分
    Table  1.  Chemical composition of 6082-T6
    MgSiCuFeMnCrNiTiZnAl
    0.750.780.100.260.50.100.040.100.10余量
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    表  2  6082-T6力学性能
    Table  2.  Mechanical properties of 6082-T6
    屈服强度Rm/MPa抗拉强度ReL/MPa断后伸长率A(%)
    ≥ 240 ≥ 295 ≥ 8
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    图  1  6082-T6母材微观组织
    Figure  1.  Microstructure of 6082-T6 parent material

    共选用12,13,14和15 mm 4种不同针长的搅拌头,针端形貌为圆锥螺纹+三切面形式,轴肩内凹,轴肩直径均为26.5 mm.

    试板采用双面焊接,焊前有机溶剂去除油污后组对工件,确保组对间隙与错边量小于0.5 mm. 正面焊缝完成后机加工去飞边,之后按焊接位置要求翻转试板并调整横向偏移尺寸进行反面焊缝的焊接. 各组试验的主轴转速为600 r/min、焊接速度为150 mm/min、主轴倾角为2.5°、压入量为0.2 mm.

    每组试样的针长、焊接方向与偏移方向如表3所示,1号 ~ 4号组试板针长逐渐增加,焊缝相对位置不变;5号 ~ 8号组试板针长不变,焊接方向与横向偏移方向改变.

    表  3  试样的针长、焊接方向与偏移方向
    Table  3.  Needle length, welding direction and offset direction of each sample
    编号针长正反面焊接方向反面焊缝横向偏移方向
    1号12mm相同无偏移
    2号13 mm相同无偏移
    3号14 mm相同无偏移
    4号15 mm相同无偏移
    5号14 mm相同AS侧偏移2.5 mm
    6号14 mm相同RS侧偏移2.5 mm
    7号14 mm相反AS侧偏移2.5 mm
    8号14 mm相反RS侧偏移2.5 mm
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    焊接完成后按照ISO 25239 — 4—2011加工横向拉伸、横向侧弯与金相试样. 金相试样用水磨金相砂纸打磨至2000号,经抛光后用keller试剂腐蚀,在Axiovert 40 MAT金相显微镜下观察组织形貌;显微硬度试验载荷为1.961 N,保压10 s;拉伸与弯曲试验在WE-600型万能液压试验机上进行,加载速率为5 mm/min,拉伸试验按照ISO 4136—2012进行;横向侧弯试验按照ISO 5173—2010进行,弯芯直径为90 mm,支辊间距为115 mm,弯曲角度为180°;在Zeiss Supra55扫描电镜下对1号 ~ 4号拉伸断口进行SEM电镜扫描分析.

    焊缝中心显微组织形貌如图2所示,搅拌头针长不同导致焊缝中心重叠尺寸不同.1号试样由于针长小于板厚的一半,针端轮廓线以外区域无法受到搅动作用,导致焊缝中心存在0.64 mm的“S”形间隙,间隙上部与下部沿着正反面焊道根部弧形边缘拓展;间隙两侧晶粒未发生再结晶细化,只发生了小程度的扭曲变形.2号试样针长超过板厚的一半,正反面焊缝根部应有1 mm的重叠,但由于针端搅拌力不足,焊后经中心显微观察仍存在长约0.15 mm的纵向“S”形间隙,间隙沿正反面焊缝根部后退侧延伸拓展,间隙附近组织发生了动态再结晶,已无原始晶粒形貌. 可见针长超过板厚一半较少时不能完全保证消除焊缝中心间隙.3号试样正反面焊缝根部存在3 mm重叠区;此时焊缝中心会受到搅拌针的二次充分搅动与加热,使得该区域材料发生动态再结晶后生成了细小的等轴晶组织,中心缺陷消除.4号试样正反面焊缝部存在5.6 mm的重叠区;由于针长继续增加,焊缝中心越来越靠近塑性变形最为剧烈的焊核区中心,这使得与3号试样相比4号的组织具有明显的材料塑性流动痕迹.

    图  2  焊缝中心区微观形貌
    Figure  2.  Metallographic results of weld center zone. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3; (d) No.4

    焊接接头的显微硬度分布可以从侧面描述焊缝强度分布情况.

    图3为1号 ~ 4号试样沿板厚中心方向的显微硬度分布结果,由图可知显微硬度整体分布呈“V”形,体现出明显的各层异性;靠近焊缝表面硬度较高,焊缝中心硬度较低,这是由于锥形搅拌针根部至针端的线速度和剪切力逐渐减小所致[11].

    图  3  1号 ~ 4号板厚方向显微硬度结果
    Figure  3.  Microhardness results of plate thickness direction of No.1 to No.4

    1号试样焊缝中心区域在搅拌针轮廓线以外未受针端搅动,材料仅受热影响而引发了程度较低的软化,导致正中心硬度较高(73HV);2号试样焊缝中心已存在1 mm重叠,未在中心发现硬度反常高点; 3号试样焊缝中心重叠区达到了3 mm,由硬度结果可知针端重叠区硬度与未受充分二次搅动的1号、2号相比有所提高,这是由于在正面焊后针端搅拌程度不充分,塑性变形程度小,动态再结晶所需储存能不足,导致硬度较低;反面焊后所产生的焊缝重叠区由于受到了二次搅动作用,发生了两次动态再结晶过程,软化程度有所降低;4号试样进一步增加了搅拌针针长,焊缝中心重叠区达到了5.6 mm,反面焊缝深入了正面焊缝受动态再结晶过程最为充分的焊核区组织,沿板厚分布的平均显微硬度明显低于1号 ~ 3号试样.

    由此可知,随着搅拌针针长的逐渐增加,焊缝中心受二次热作用的影响逐渐增强,针长较短时会补充搅拌力不足,增加焊缝强度,针长过长则使接头过热强化相析出造成接头软化,所以焊缝整体硬度呈先增加后减小的趋势.

    全厚度拉伸试验可以体现接头整体拉伸性能,全厚度侧弯试验能够说明焊缝受弯曲载荷时的力学特性,拉伸与侧弯试验结果如图4所示. 接头抗拉强度随焊缝中心间隙尺寸的减小和重叠区尺寸的增加呈先增加后减小的趋势,3号试样抗拉强最高,数值为237 MPa,达到了母材标准抗拉强度下限的80.3%,4号由于接头软化所致抗拉强度有所降低. 同时由拉伸断裂位置结果可知,焊缝中心重叠区尺寸与拉伸断裂位置存在关联性;当焊缝中心存在间隙时(1号、2号),拉伸试样从中心间隙处启裂,其中1号沿正反面前进侧呈45°断裂,而2号断裂位置沿正反面后退侧呈45°断裂;当焊缝中心无缺陷存在时,拉伸断裂路径不通过焊缝中心,沿一侧焊缝前进侧与另一侧焊缝后退侧HAZ与TMAZ交界呈横向“V”字形断裂,这是由于6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的TMAZ与HAZ交界附近受机械搅动作用小,沉淀相易于偏析聚集,外加该区域存在明显的组织突变性,断裂均在该位置附近发生.

    图  4  1号 ~ 4号拉伸与弯曲试验结果和拉伸断裂位置
    Figure  4.  Tensile and bending test results and tensile fracture locations of No.1 to No.4

    对于弯曲性能来说,1号试样由于中心间隙的影响,导致侧弯试样在弯曲角度达到65°时即发生断裂(图5),断裂位置为正反面焊缝后退侧热力影响区与焊核区交界,这与试样中心“S”形间隙拓展方向相吻合,中心断口光滑平整. 值得注意的是, 2号试样中心存在约0.15 mm “S”间隙,但弯曲试验完好无裂纹,可见此时中心“S”间隙的本质为S线,小于一定尺寸时不会对焊缝侧弯性能产生明显影响[9];3号与4号所使用搅拌针尺寸较长,焊缝重叠区尺寸大,焊缝中心无缺陷存在,弯曲试验表面完好无裂纹.

    图  5  1号弯曲试样表面
    Figure  5.  Bending specimen surface of No.1

    为区分1号 ~ 4号试样拉伸断裂形式,对拉伸断口中心进行SEM扫描电镜分析,结果如图6所示;1号试样中心由于未受搅拌针搅动,断口分为两部分,上部与下部为韧性断裂区,卵形韧窝为其主要形貌,中部为未焊合区,仅发生有限扩散与连接,断口呈浅纤维状.

    图  6  焊缝中心拉伸断口微观形貌
    Figure  6.  Tensile fracture microstructure morphology in weld center. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3; (d) No.4

    2号拉伸断口中心光滑平整,上下部分为浅韧窝;由于针长较短以至于搅拌程度不足,材料流动性差,最终导致该部分在反面焊后二次热力影响仍未发生充分冶金结合.

    3号拉伸断口形貌为等轴深韧窝状,接头韧性较好,同时发现了第二相粒子及粒子团簇存在,断裂形式为微孔聚集型韧性断裂.

    4号拉伸断口形貌为等轴深韧窝+卵形韧窝,在断裂界面未发现第二相例子的存在,说明此时焊缝中心受搅拌作用充分,第二相粒子细小弥散,未形成可见团簇,接头韧性较好.

    正反面焊接方向相同与否决定了焊缝前进侧与后退侧的位置分布,而焊缝横向偏移方向会决定前进侧靠近焊缝中心还是后退侧靠近焊缝中心. 其中5号与6号正反面焊接方向相同,前进侧与后退侧呈交叉分布;而7号与8号正反面焊接方向相反,前进侧与后退侧分布在焊缝同一侧.

    图7为5号 ~ 8号拉伸与弯曲试验结果,各组试样的焊接方向与反面焊缝的横向偏移方向有所差别,但由拉伸试验结果可知,改变横向偏移方向与正反面焊缝焊接方向未明显降低接头拉伸性能,拉伸断裂位置均发生在HAZ与TMAZ交界处.

    图  7  5号 ~ 8号拉伸与弯曲试验结果和拉伸断裂位置
    Figure  7.  Tensile and bending test results and tensile fracture location of No.5 to No.8

    对于弯曲性能,5号与7号反面焊缝向AS侧偏移,试样表面发生开裂,6号与8号反面焊缝向RS侧偏移,试样表面完好无裂纹(图8).

    图  8  5号 ~ 8号弯曲试样表面
    Figure  8.  Bending specimen surface of No.5 to No.8

    为研究弯曲试样开裂原因,分别对5号与7号进行接头横向显微硬度分析(图9图10),发现焊缝中部横向显微硬度分布呈“U”形,硬度最低部分为焊缝中心重叠区;焊缝上部与下部硬度各自呈非对称“W”形分布,HAZ与TMAZ交界处硬度较低. 由于焊接最低热循环温度会出现在后退侧HAZ附近[10],导致后退侧显微硬度较比前进侧低.

    图  9  5号接头不同厚度处横向显微硬度分布
    Figure  9.  Transverse microhardness distribution at different joint thicknesses of No.5
    图  10  7号接头不同厚度处横向显微硬度分布
    Figure  10.  Transverse microhardness distribution at different joint thicknesses of No.7

    显微硬度低处其力学性能较为薄弱,5号与7号试样反面焊缝均向AS侧偏移,导致硬度最低点靠近焊缝中心,因此弯曲试样在反面焊缝中心处开裂.

    (1) 针长为12 mm时,未达到板厚1/2,焊缝中心存在未焊透缺陷,严重降低拉伸与弯曲性能,拉伸与弯曲试样在中心处开裂.

    (2) 针长为13 mm时,焊缝中心存在1 mm重叠区,经显微观察依然存在“S”间隙,但不会对拉伸与弯曲性能造成明显影响,推测其本质为S线.

    (3) 针长为14与15 mm时,中心无缺陷存在,接头弯曲性能优良,但抗拉强度随针长增加有所降低.

    (4) 焊缝横向偏移方向影响接头弯曲性能. 当反面焊缝向前进侧偏移时,性能较为薄弱的后退侧HAZ会靠近焊缝中心,导致弯曲试样开裂.

  • 图  1   6082-T6母材微观组织

    Figure  1.   Microstructure of 6082-T6 parent material

    图  2   焊缝中心区微观形貌

    Figure  2.   Metallographic results of weld center zone. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3; (d) No.4

    图  3   1号 ~ 4号板厚方向显微硬度结果

    Figure  3.   Microhardness results of plate thickness direction of No.1 to No.4

    图  4   1号 ~ 4号拉伸与弯曲试验结果和拉伸断裂位置

    Figure  4.   Tensile and bending test results and tensile fracture locations of No.1 to No.4

    图  5   1号弯曲试样表面

    Figure  5.   Bending specimen surface of No.1

    图  6   焊缝中心拉伸断口微观形貌

    Figure  6.   Tensile fracture microstructure morphology in weld center. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3; (d) No.4

    图  7   5号 ~ 8号拉伸与弯曲试验结果和拉伸断裂位置

    Figure  7.   Tensile and bending test results and tensile fracture location of No.5 to No.8

    图  8   5号 ~ 8号弯曲试样表面

    Figure  8.   Bending specimen surface of No.5 to No.8

    图  9   5号接头不同厚度处横向显微硬度分布

    Figure  9.   Transverse microhardness distribution at different joint thicknesses of No.5

    图  10   7号接头不同厚度处横向显微硬度分布

    Figure  10.   Transverse microhardness distribution at different joint thicknesses of No.7

    表  1   6082-T6化学成分

    Table  1   Chemical composition of 6082-T6

    MgSiCuFeMnCrNiTiZnAl
    0.750.780.100.260.50.100.040.100.10余量
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    表  2   6082-T6力学性能

    Table  2   Mechanical properties of 6082-T6

    屈服强度Rm/MPa抗拉强度ReL/MPa断后伸长率A(%)
    ≥ 240 ≥ 295 ≥ 8
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    表  3   试样的针长、焊接方向与偏移方向

    Table  3   Needle length, welding direction and offset direction of each sample

    编号针长正反面焊接方向反面焊缝横向偏移方向
    1号12mm相同无偏移
    2号13 mm相同无偏移
    3号14 mm相同无偏移
    4号15 mm相同无偏移
    5号14 mm相同AS侧偏移2.5 mm
    6号14 mm相同RS侧偏移2.5 mm
    7号14 mm相反AS侧偏移2.5 mm
    8号14 mm相反RS侧偏移2.5 mm
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-30
  • 网络出版日期:  2021-04-21
  • 刊出日期:  2021-02-24

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