原创《枕梁型材FSW和MIG接头性能分析》
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赖 鸥,蒋百威
中车株洲电力机车有限公司,湖南株洲 412001
摘 要 对比了搅拌摩擦焊及MIG 焊枕梁型材结构,并对焊接接头的抗拉伸性能、焊接缺陷、冲击性能、疲劳强度进行了分析,研究结果表明6005A-T6 铝合金枕梁型材搅拌摩擦焊显微硬度与MIG 焊相当,抗拉强度比MIG 焊高出10.59%,屈服强度高出8.14%、吸收冲击功平均高出MIG 焊105%、疲劳强度高出7.7%,发现MIG 焊接头中间部位为等轴晶,熔合区部分是沿散热方向生长的柱状晶,枝晶粗大；而搅拌摩擦焊接头中焊核区的晶粒非常细小,焊接接头热机影响区晶粒沿焊接方向被拉长,整个区域为条弧状组织.
关键词 铝合金；搅拌摩擦焊；疲劳
中图分类号 U2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2016）12-0109-02
作者简介：赖鸥,中车株洲电力机车有限公司.
蒋百威,中车株洲电力机车有限公司.
随着列车速度的不断提高,为了降低列车的重量,一般采用铝合金材料,铝合金材料焊接工艺比较复杂,尤其高强度型号和长厚板材接头焊接困难,这也成为限制列车轻量化发展的主导要素.为了改善焊接接头组织性能,提高焊接工艺水平等是轨道车辆制造技术发展主要课题之一.传统的MIG 焊和TIG 焊,对型材表面处理要求较高,焊接表面成形不齐,熔深熔透不稳定,对于厚板铝型材焊接工艺难度较大.另外,与传统的MIG 及TIG 焊相比,由于FSW 焊接热量较小所引起的焊接变形就少,故可省略 焊道的精整工艺,可减少焊接变形的校正工时.
1 试验材料及方法
1）试验材料.选用6005A 铝合金挤压型材.
2）试验设备.所焊接焊缝均采用自动焊,其中FSW 使用厚板静龙门搅拌摩擦焊专机,MIG 焊使用福尼斯自动焊机.
3）试验方法.采用熔深为13.5mm 的焊缝进行对比试验搅拌摩擦焊仅需焊接两道,第一道预焊固定两侧母材,第二道使用搅拌针略长于熔深要求的搅拌头一次完成焊接,而MIG 焊需要4 层5 道,焊接后进行切割取样.
2 试验结果与分析
2.1 疲劳断口分析
焊接接头的疲劳断口分析是判断该结构断裂失效模式、确定失效机理、找出失效原因并提出设计改进与预防措施必不可少的重要手段.断口分析一般分为定量和定性分析.
2.1.1 6005A-T6 铝合金MIG 焊接头疲劳分析
图1 给出了6005A-T6 铝合金MIG 焊接头疲劳试样在循环载荷为等于100MPa 时疲劳断口形貌.图1（a）给出了疲劳断口靠近疲劳源区部位的宏观形貌,可以看出图中放射纹汇聚于一个角落,最终汇聚的部分便是疲劳裂纹萌生的区域.图1（b）给出了疲劳裂纹萌生区的高倍镜下的图,可以看出在裂纹萌生区附近有一些缺陷,此处会导致部件在受力过程中应力集中,这也是此处裂纹萌生的重要原因.图1（c）给出的是裂纹扩展区的高倍图像,从图中可以清晰的看到许多与裂纹扩展方向垂直的疲劳条带.疲劳带是判断循环应力是否引起断裂的重要依据,疲劳带的距离和数量也是疲劳断裂表面定量分析的重要参数.断口中的每一条疲劳条带都对应着载荷或应变的一次循环.图1（d）给出的是瞬断区的微观形貌图,图中圆圈标注的部分表面比较光滑无,无明显断裂特征,这部分属于自由表面,即未与的对面的部位接触.焊接材料或者焊接工艺的不合理会产生自由表面,自由表面的存在导致焊接接头的质量下降.
2.1.2 6005A-T6 铝合金FSW 焊接头疲劳分析
疲劳端口源区宏观图可看出,6005A-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头在max S 等于160MPa 下发生的疲劳断裂仅有一个裂纹萌生区.焊缝中的自由表面,在裂纹扩展区有一部分形貌和其他部位明显不同,对该部位进行高倍扫描.自由表面局部放大,该部位为自由表面,无断裂特征,缺陷尺寸特别细微.搅拌摩擦焊过程中,受搅拌摩擦焊接热的影响,搅拌头旋转区域金属被塑化,塑化的金属会随搅拌头旋转而流动.塑化金属的流动一般被分为3 种简化方式：搅拌头前进,带动塑化金属沿焊接方向水平流动；搅拌头旋转,带动塑化金属圆周运动；受搅拌头形状的影响,塑化金属沿焊缝厚度方向的流动.不合理的焊接参数会导致焊缝区域的塑化金属不能充分填充搅拌头后方和焊缝的厚度方向,因此在焊缝中形成间隙.这种缺陷主要是因为在焊接中的热输入过高或不足所致.过高的热输入使搅拌区金属软化程度大幅提升,过分软化的金属与搅拌头之间的摩擦作用减小,严重时会产生相对滑移.过低的热输入会降低金属的软化程度,致使搅拌区金属无法充分流动.
2.1.3 S-N 曲线分析
S-N 曲线的m 越大,则S-N 曲线的变化趋势较为平缓,在1×107 次寿命区对应的疲劳强度也相应的提高；相反的,S-N 曲线的m 值越小,说明S-N 曲线的变化趋势越陡,在1×107 次寿命区所对应的疲劳强度越低.试验结果表明,在条件疲劳极限下,6005A-T6铝合金的MIG 焊接头疲劳强度（存活率为50%）存在着一些差异,MIG 焊接头疲劳强度（存活率为95%）较低为83.85MPa,而FSW 接头疲劳强度（存活率为95%）为90.31MPa.以上几种焊接接头的疲劳S-N 曲线分别如图2 所示.
3 结论
1） 在1×107 次的条件疲劳极限下,6005AT6铝合金MIG 焊接头对应95% 存活率的疲劳强度为83.75MPa,FSW 接头相对的95% 存活率的疲劳强度为90.31MPa.在同一级循环载荷下,MIG 焊接头疲劳寿命较为分散.
2）由于搅拌摩擦焊自身工作原理,相对于MIG 焊,焊接过程中不需要填充金属、保护气体,可节省一定的制造费用,以1.4m 长13.5mm 熔深焊缝为例,采用MIG焊焊接,共需要4 层5 道,平均每道焊接速度为466mm/min,纯焊接时间约15min,焊前需要预热,每层之间需控制层间温度,生产效率低,热输入高,焊后变形大,焊接消耗较多焊丝、气体.搅拌摩擦焊仅需2 道焊缝,平均每道焊接速度为375mm/min,纯焊接时间约7.5min,无需预热,生产效率高,焊后变形在3mm 以内,无填充材料；同时搅拌摩擦焊缺陷少,亦可节省返工工时.
参考文献
[1]Midling O T,Torley E J,Sandvik A（Norsk Hydro,rights tranerred to TWI）：’Friction stir welding’.Europen Patent Application 959 078 88.2.
[2]王元良,等.摩擦焊新技术—搅拌摩擦焊[C]//高速铁路焊接技术[J].西南交通大学材料学院焊接研究所.
[3]王元良,周有龙,胡久富,等.解决远载工具铝合金难题的新途径-搅拌摩擦焊[J].电焊机,2004,34（1）：34-38.
分析论文参考资料：
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