摘 要：试验采用搅拌摩擦焊对汽车吸能盒用6008铝合金进行焊接试验。结果表明：在旋转速度为1400 r·min-1、焊接速度为700 mm·min-1时，焊接接头性能最佳，平均抗拉强度为209.3 MPa，可达到母材实际抗拉强度的85.74%；各参数下搅拌摩擦焊接头外观均无明显缺陷，可满足实际生产要求；焊缝截面整体形貌呈倒圆锥形，焊核区材料发生完全动态再结晶及长大形成细小的等轴再结晶组织。热机影响区晶粒发生较大程度的弯曲变形及部分长大现象。热影响区组织发生少量晶粒长大现象，总体上与原始母材组织形貌相差不大。
随着全球范围内汽车工业的迅猛发展，轻量化材料在汽车产品的安全、低能耗和环保等方面起到重要的作用，受到了广泛的关注。铝合金以其密度低、刚强比高、抗冲击性能良好、可回收性好、易加工及表面质量优良等优点，越来越多地被应用于汽车制造领域[1]。其中，对于汽车的吸能盒，铝合金材料既满足轻量化要求又满足碰撞吸能的作用而被广泛应用[2]。
在铝合金吸能盒的生产制造过程中，通常使用熔化焊作为连接工艺[3]。采用熔化焊时，接头处容易出现气孔、裂纹等缺陷，在一定程度上制约了铝合金材料的应用。搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型的固相连接技术，依靠搅拌头与工件的摩擦所产生热量，使得焊缝区域受热形成塑性流动状态，并通过搅拌针的搅拌作用达到连接的目的[4]。与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊具有热输入低、无飞溅、不需要填充材料和保护气等诸多优点，在铝合金焊接领域有明显的优势[5]。本试验以汽车吸能盒用6008铝合金为研究对象，对其搅拌摩擦焊工艺进行研究，为搅拌摩擦焊在铝合金汽车吸能盒领域的应用提供一定的理论依据。
1、试验材料和方法
1.1 试验材料
本试验选用尺寸为300 mm×150 mm×2 mm的6008-T4铝合金挤压型材，其化学成分、力学性能分别见表1、表2。
表1 6008-T4铝合金化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of 6008-T4 aluminum alloy(mass fraction，%)
表2 6008-T4铝合金力学性能
Table 2 Mechanical properties of 6008-T4 aluminum alloy
1.2 试验设备
试验采用HT-JM16×30/2二维静龙门搅拌摩擦焊机，搅拌头为针长1.85 mm锥状带螺纹搅拌头，右旋，轴肩直径10 mm；横向拉伸试验和焊接接头金相组织观察分别采用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机和蔡司M2m光学显微镜。
1.3 试验方法
试验采用对接接头，焊接前需打磨试件的待焊部位进行表面氧化膜处理，并用无水乙醇擦拭，洗去表面油污[6]。在进行焊接时，根据以往经验，分别在1200～1500 r/min和600～800 mm/min范围内选取搅拌头转速和焊接速度，搅拌头工艺倾角为2.5°，轴肩下压量为0.1 mm。通过试验确定6008-T4铝合金的最佳焊接工艺参数，以提高其搅拌摩擦焊的焊接质量。
2、试验结果与分析
2.1 焊缝外观形貌
表3为不同工艺参数下搅拌摩擦焊焊缝外观形貌。由图3可知，各焊缝表面均纹路清晰、光洁细密，厚度减薄量较小，个别焊缝两侧存在少量的飞边。这是由于在搅拌摩擦焊过程中，高速旋转的搅拌针和轴肩与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化，当轴肩沿着焊接界面向前移动时，由于在过大的焊接压力下，从轴肩两侧挤出较多的塑性材料，冷却后在焊缝表面形成飞边，这是搅拌摩擦焊的固有缺陷。因为产生飞边时只有少量的金属材料被挤出，不会明显减少接头的有效承载面积，故只影响焊缝外观成形，对接头强度无明显影响[7]。
表3 焊缝外观形貌
Table 3 Weld appearance
2.2 焊接接头拉伸性能
根据标准ISO 4136—2001《金属材料焊缝破坏性试验横向拉伸试验》对不同焊接接头进行横向拉伸试验，每个焊接参数选择两个试样进行试验，取平均值作为测试结果，结果见表4。由表4知，当旋转速度为1400 r·min-1和焊接速度为700 mm·min-1时，焊接试样的抗拉强度达到最大值，为母材强度的85.74%，呈现出良好的力学性能。
表4 拉伸测试结果
Table 4 Results of tensile test
图1为在相同焊接速度和旋转速度条件下焊接接头的平均抗拉强度变化曲线图。当焊接速度为700 mm·min-1时，接头强度随旋转速度的增加呈先升高后降低的趋势，如图1(a)所示。由于旋转速度较低时，焊接热输入不足，材料塑化不充分；随着旋转速度升高，过高的热输入会造成接头的软化增强，从而降低接头强度[8]。当旋转速度为1300 r·min-1时，接头强度随焊接速度的增加呈先略有降低后升高的趋势，如图1(b)所示。由于焊接速度较低时，焊接单位长度的焊缝所需的时间也相应增加，导致摩擦产生的热量增多，晶粒组织因过热而增大，使接头强度降低；随着焊接速度的增加，焊接单位长度焊缝所需的时间也趋于合理，热输入也随之降低，接头强度开始升高。
(a)焊接速度为700 mm·min-1；(b)旋转速度为1300 r·min-1
(a)welding speed is 700 mm·min-1；(b)rotating speed is 1300r·min-1
图1 不同焊接参数下抗拉强度变化曲线
Fig.1 Change curve of tensile strength under different welding parameters
2.3 焊缝截面宏观形貌
使用光学显微镜对旋转速度为1400 r·min-1、焊接速度为700mm·min-1时的焊接接头焊缝横截面形貌进行观察，焊缝的宏观形貌如图2所示。由图2可知，焊缝形貌整体为倒圆锥形，前进侧边界较后退侧清晰。由于焊接过程中，后退侧主要受到搅拌针及母材金属的挤压作用，而前进侧主要受到搅拌针的剪切力作用，材料应变梯度较大，因此边界较为清晰。FSW接头共分为四个区域[9]，处在焊缝中间位置的是焊核区(WNZ)；分布在焊核区左右两侧，宽度较窄的是热机影响区(TMAZ)，该区域受到机械搅拌和焊接热循环的双重作用；热机影响区往外的区域为热影响区(HAZ)，该区域仅受到焊接热循环的作用；距离焊缝中心更远的位置，组织没有受到焊接热影响的区域为母材区(BM)[10]。
图2 焊缝截面形貌
Fig.2 Weld section morphology
2.4 焊缝微观组织
对焊缝的焊核区、热机影响区和热影响区进行微观组织观察，如图3所示。图3(a)中的焊核区材料由于受到摩擦热、机械搅拌和塑性变形的综合作用，造成原始的母材组织大量破碎，晶粒位错变化加剧、温度升高，从而使晶粒发生完全动态结晶及长大，形成饱满、细小的等轴再结晶组织；图3(b)中与焊核区相邻的部分为热机影响区，在搅拌头的机械搅拌和焊接热循环的作用下，晶粒发生了较大程度的弯曲变形和部分长大现象，且靠近焊核区的晶粒与远离焊核区的晶粒相比，弯曲变形程度更加明显、晶粒更加细小；图3(c)中靠近热机影响区的部分为热影响区，该区域由于仅受焊接热循环的作用，因此原始的母材组织只发生少量的晶粒长大现象，总体上保留了母材的组织形貌[11]。
(a)焊核区；(b)热机影响区；(c)热影响区
(a)nugget zone;(b)heat engine affected zone;(c)heat affected zone
图3 焊缝微观组织
Fig.3 Microstructure of weld
3、结论
1)搅拌摩擦焊是一种可用以焊接汽车吸能盒用6008铝合金的焊接方法。旋转速度为1400 r·min-1，焊接速度为700 mm·min-1时，焊接接头性能最佳，平均抗拉强度为209.3 MPa，可达到母材实际抗拉强度的85.74%；
2)不同焊接参数下6008-T4铝合金搅拌摩擦焊的焊缝外观均无明显缺陷，说明其对搅拌摩擦焊适应性较强，可满足不同性能需求下的实际焊接生产；
3)6008-T4铝合金搅拌摩擦焊的焊缝截面整体形貌呈倒圆锥形，焊核区材料发生完全动态再结晶及长大，形成细小的等轴再结晶组织。热机影响区晶粒发生较大程度的弯曲变形及部分长大现象。热影响区组织发生少量的晶粒长大现象，总体上与原始母材组织形貌相差不大。
参考文献
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