（材料加工工程专业论文）6082t6铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的研究.pdf

中文摘要 摘要：轻量化是提高高速列车整体性能的关键，采用铝合金车体具有明显的轻量 化效果。目前，铝合金车体主要采用熔化焊的方法制造，尚存在焊接接头严重软 化、疲劳和冲击性能差、焊接变形大等问题。搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接 技术，其焊接接头性能优异，应力和变形小，国外已将其用于高速列车车体的制 造，国内在车体上的应用尚属空白。 本文以高速列车车体为应用背景，对6 0 8 2 t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头的组织 和性能展开研究，从组织、硬度、拉伸性能和疲劳性能等方面比较了搅拌摩擦焊 与氩弧焊的差异，讨论了f s w 接头组织的形成机理，对拉伸断口和疲劳断口形貌 进行了分析，明确了其断裂机制。研究结果表明： f s w 接头焊核区由于动态再结晶具有细小的等轴晶粒，比m i g 接头焊缝晶粒 细小，焊接热影响区窄。f s w 接头硬度高于m i g 焊，表明f s w 接头的软化程度 减轻。f s w 接头的拉伸性能优于m i g 焊接头，其中抗拉强度提高5 ，延伸率提 高5 0 。f s w 接头拉伸断口的韧窝数量比m i g 焊接头多，尺寸比m i g 焊接头大 而深。f s w 接头的疲劳性能明显高于m i g 焊，疲劳循环次数为2 x 1 0 6 时，f s w 的 疲劳强度是8 4 5 m p a ，比m i g 提高2 4 4 。f s w 和m i g 焊疲劳断口上均存在疲劳 条带特征，但f s w 疲劳条带的间距比m i g 小。 关键词：6 0 8 2 - t 6 铝合金；搅拌摩擦焊；组织；性能；断口 分类号：t g 4 5 7 ：t g 4 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c t ：l i g h tw e i g h t i n go fh i g h - s p e e dt r a i ni so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d s t oi m p r o v et l l e 打o v e r a l lp e r f o r m a n c eb yu s i n ga l u m i n u mr o l l i n gs t o c k a tp r e s e n t ，t h e a l u m i n u mr o l l i n gs t o c ki sm a i n l ym a n u f a c t u r e db ym i gw e l d i n g b u tt h e r ea r em a n y p r o b l e m ss u c ha ss e r i o u s l ys o f t e n i n gi nt h ew e l d e dj o i n t s ，p o o rf a t i g u ea n di m p a c t p r o p e r t i e s ，l a r g ew e l d i n gd e f o r m a t i o na n ds oo n f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ( f s w ) u s e di n t h i sp a p e ri sa ni n n o v a t i v es o l i dp h a s ew e l d i n gm e t h o d ；j o i n t sw e l d e db yt h i sm e t h o d h a v eg o o dp r o p e r t i e s ，l o ws t r e s sa n dd e f o r m a t i o n t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e df o rt h e m a n u f a c t u r i n go fa l u m i n u mr o l l i n gs t o c ka b r o a d ，b u td o m e s t i ca p p l i c a t i o n sa r eb l a n k a i m i n gt ot h ef a b r i c a t i n go ft h ea l u m i n u ma l l o yr o l l i n gs t o c k ，i nt h i sp a p e rt h e m i c r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t i e so ff r i c t i o ns t i rw e l d e d6 0 8 2 - t 6a l u m i n u ma l l o yw a s i n v e s t i g a t e d ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nf s w a n dm i g j o i n th a v eb e e nc o m p a r e df r o mt h e r e s p e c to fm i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，t e n s i l eb e h a v i o ra n df a t i g u ep e r f o r m a n c e ，a n dt h e m i c r o s t r u c t u r ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ff s wj o i n th a sb e e nd i s c u s s e d ，a tt h es a m et i m e t h ef r a c t u r em o r p h o l o g yo ft h et e n s i o na n df a t i g u ei sa n a l y z e d ，f r a c t u r em e c h a n i s mo f t h ej o i n t sh a sb e e nd e f i n e d t h er e s u l t sa r es h o w e da sf o l l o w s ： t h ed y n a m i cr e c r y s t a l i z a t i o np r o d u c e sf i n eg r a i ni nf s wj o i n t s m o r ef i n eg r a i na n d n a r r o w e rh a zw e r ef o u n di nf r i c t i o ns t i rw e l dj o i n t s h a r d n e s so ff s wj o i n ti sh i g h e r t h a nm a to fm i g j o i n t , w h i c h s h o w sl e s ss o f t e n i n g t e n s i l ep r o p e r t i e so ff s w j o i n t sa r e b e t t e rt h a nm i gw e l d i n g , a v e r a g et e n s i l es t r e n g t ho ff s wj o i n ti sh i g h e rt h a nm i gj o i n t b y5p e r c e n t ，a n de l o n g a t i o ni sh i g h e rb y 5 0p e r c e n t a n a l y s i so f t e n s i l ef r a c t u r es h o w s t h a tt h en u m b e ro fd i m p l e si nf s wj o i n ti sm o r et h a ni nm i gj o i n t , a n dt h es i z ei sl a r g e r a n dd e e p e r i tw a ss h o w nt h a tt h ef a t i g u es t r e n g t ho ff s w j o i n t sw a so b v i o u s l yh i g h e r t h a nt h a to fm i g j o i n t s ，c o r r e s p o n d i n gt of a t i g u ec y c l en u m b e ro f2 x l0 0 ，w i t hs u r v i v a l r a t eo f9 5 ，f a t i g u es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i cv a l u e si nf s w j o i n t sa r e8 4 5 m p a , t h e c h a r a c t e r i s t i cv a l u ei nf s wj o i n ti sh i g h e rt h a ni nm i gj o i n tb y2 4 。4 t h e r ea r e c h a r a c t e r i s t i c so ff a t i g u es t r i a t i o ni nb o t hf s wj o i n ta n dm i gj o i n t ，b u tt h es p a c e b e t w e e nf a t i g u es t r i a t i o n si nf s w j o i n ti sl o w e rt h a nt h a to fm i gj o i n t k e y w o r d s ：6 0 8 2 - t 6a l u m i n u m a l l o y ；f r i c t i o n s t i r w e l d i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ； p r o p e 坝, m o r p h o l o g y c l a s sn o ：t g 4 5 7 ；t g 4 5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刭i 观格 签字日期： 矽7 年 7 月f1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：虱、钆艳 签字日期：q , o 。f 年7 月6 e l 导师签名： 亏象匈静 签字日期：五哆年7 月6 日 致谢 本文是在徐向阳副教授的悉心指导下完成的。导师渊博的学识和严谨的治学 态度使我受益匪浅。导师不仅在学习与工作中对我耐心指导和严格要求，还在生 活上给予了关怀与帮助，在此谨向导师表示衷心的谢意。 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所的董春林高工在毕业设计过 程中给予了诸多指导和帮助，董老师勤恳的工作作风、锐意进取的工作精神以及 对科学的执着追求给我留下了深刻的印象，在此深表感谢。 感谢中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所的佟建华工程师、李光 工程师和张健在试验方面给予的热情支持和帮助。 感谢在试验和毕业论文写作过程中给予我极大帮助的刘元富和李卫京等老 师。这些老师在工作中为我提出了宝贵的意见，使我学习了很多知识，提高了自 己的能力，同时也给了我很多无私的帮助，使我的毕业论文能够顺利完成，在此 表示衷心的感谢。 在试验和论文工作中，王勇、詹文良、于大海、钱尊堂等同学给了我很大的 帮助，非常感谢! 非常感谢我的家人，你们一直是我的坚强后盾和精神支柱，在我的漫漫求学 路中给予我支持和关心，使我一步步地成长、进步，谢谢你们! 最后，向所有曾在学习、生活和工作中给予我关心、支持和帮助的同学和朋 友们表示衷心的感谢! 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 引言 在现代旅客运输系统中，高速铁路得到了快速的发展，并受到了世人的青睐。 它主要的优点在于既能够缩短旅行时间，也能够满足旅客对舒适性的要求。与航 空和高速公路相比，它还有节约能源和减少环境污染的优势，既有利于改善生态 环境，也符合可持续发展的要求。高速铁路的兴起和发展是社会经济发展的必然 结果，也是解决大城市间交通运输问题的必然选择。 1 9 6 4 年1 0 月，日本率先建成世界上第一条高速铁路东海道新干线【l 】。目 前全世界已投入运行和正在修建的高速铁路里程超过1 4 万公里，继日本之后，法 国、英国、德国、意大利和美国等发达国家也相继修建了高速铁路【2 1 ，最高试验速 度达到了5 7 4 8 k m h t 引。 在高速铁路技术中高速列车占有十分重要的地位。高速列车以其启动快、速 度高、安全舒适、振动与噪声小等优点成为未来列车发展的主流方向。列车运行 速度提高后，运行阻力增大、轮轨间作用力和噪声剧增。减轻列车质量对提高列 车运行速度、减少其运行阻力、改善轮轨间作用力以及延长车辆和线路的寿命都 具有重要的意义1 4 1 ，因此轻量化成为国内外运载工具设计和使用者长期追求的目 标。 高速列车的车体系统占整个列车质量的一半以上，高速列车轻量化的关键是 车体的轻量化【5 1 。车体实现轻量化有两个途径：一是合理优化结构设计，二是新材 料的应用【4 】。合理优化结构设计是减轻质量的有效措施。但经验证明，通过优化计 算设计车体结构质量一般可减轻1 0 4 1 ，其相对减重率还达不到高速列车的要求。 因此，新材料的应用提上了议程，新材料的应用能最大限度的降低轴重，减小轮 轨问作用力，降低噪声，延长车辆和线路的寿命，对实现列车高速化具有重要意 义【4 1 。 铝合金因其密度小、比强度高、耐腐蚀、成型性能优良及可实现其型材的大型 宽体化等特点1 6 1 ，在高速列车车体中得到越来越广泛的应用，比如列车车厢、壁板 以及底板等均可采用铝合金材料制造。铝合金车体的优势主要体现在： ( 1 ) 车体自重大大减轻。在强度、刚度满足安全要求的同时，使用铝合金车体 的重量，一般来说比钢质车体轻3 0 左右川。 ( 2 ) 运行性能好，节省牵引能耗。由于车辆重量减轻，可提高机车加速性能、 改善机车动力性能。 ( 3 ) 密封性能提高，由于铝合金车体大量采用型材结构，型材内可封装隔音材 料，使列车运行过程中的噪音和平稳性比钢车体明显改善，提高了乘车舒 适性嗍。 ( 4 ) 费用降低，由于铝合金材料有良好的耐腐蚀性，不需涂装，且使用寿命长， 维护费用、运行费用降低。 ( 5 ) 便于制造。随着通长、大型复杂断面中空型材的开发以及焊接技术的进步， 使铝合金制造技术日趋成熟，制造工艺大大简化，制造所需工作量较钢质 车体大大较d d 9 。 ( 6 ) 安全性高。车体的安全性是车体材料的重要指标，铝合金车轻量化水平较 高，减轻了客车质量，减少了制动距离和运输能耗。同时，铝合金吸收冲 击能量强，是具有同样断面和强度的钢材的3 倍，因此，在发生事故时， 更能保证人员安全，且铝合金无低温脆性l l o j 。 ( 7 ) 回收再利用性好。因铝合金的熔点低，废料回炉重熔所需能量少，所以铝 合金材料是可最大限度回收利用的材料。 由以上分析可以看出，铝合金所具有的这些特性对于高速列车的使用条件是 非常适合的。 1 1 2 铝合金车体国内外应用现状 1 8 9 6 年，法国国铁最先把铝合金材料用于铁道客车的窗框上。1 9 0 5 年，英国 的兰克夏和约克夏铁路也采用铝合金制作电动车的外墙板和内部装饰材料【l 。美 国在1 9 2 3 年到1 9 3 2 年间，有近7 0 0 辆电动车及客车的外墙板和车项等采用了铝 合金。1 9 5 2 年伦敦地铁、1 9 5 4 年加拿大多伦多地铁的车辆均采用了铝合金。6 0 年 代以后，德国科隆、波恩铁路的城郊车以及该国的客车也相继实现了铝合金化【1 2 】。 1 9 6 2 年，日本从德国引进了铝合金新技术，在山阳电铁首先实现了铝合金车【1 1 】。 德国高速列车i c e 2 、i c e 2 2 、拖车i c e l 和法国t g v d u p l e x ，均采用大型铝 合金板制作车体。它们均为按照8 0 年代先进技术设计的，采用大型挤压板组成的 双层薄壳结构【1 1 1 。日本的高速铁路运输已达到较高水平，较早开始使用铝合金制 造车辆。新的s t a r 2 1 ，n o z o m i 3 0 0 、w i n 5 0 0 、3 0 0 x 系客车等均为铝制。结构原 理与采用大型挤压型材的i c v 和t g v 高速客车类似。 由此可以看出，在世界范围内，生产制造铝合金车体是铁路运输事业和城市 2 轨道车辆发展的必然趋势。目前世界上投入运营的铝合金城市轨道车辆和铁道运 输车辆达到3 万多辆，有很广泛的应用前景。 我国于1 9 5 8 年由唐山机车车辆厂研制出了一辆铝合金( 2 a 1 2 t 4 ) 列车，但未 投入使用【l 。1 9 5 9 年，铁道部四方机车车辆厂曾以钢和铝为基材设计生产了一系 列8 个品种的铆接和焊接混合结构的低重心轻快列车。该车重量轻、重心低，是 我国最早将铝合金用于车体上的轻量化的一次成功尝试，在当时已接近世界先进 水平【1 2 】。对于型材结构车体的研究我国起步较晚，1 9 9 7 年长春客车厂完成了一节 铝合金客车车体的制造。该车车底架、侧墙和车顶均采用进口大型空心铝合金挤 压型材连续焊接方式，端部采用铝合金板材和骨架拼焊方式。该车已通过静强度 试验。中国目前已经成功生产出用于广州2 号线、深圳1 号线、上海明珠、重庆 单轨、武汉、南京和四川青城山等铝合金地铁车体，同时为广州到深圳提供了铝 合金车体电动车组( 2 1 0k m h ) 、为秦沈专线生产了高速铝合金试验列车( 2 7 0k r n h ) ， 该车试验速度达到3 1 5k m h 。南京车辆厂、株洲电力机车厂也具备批量生产铝合 金车体的条件【l 引。 1 1 2 铝合金焊接特点 铝合金广泛应用的同时对连接技术也提出了更高的要求，铝合金车体主要采 用焊接的方法制造，铝合金材料的焊接是决定高速列车长期安全运行的基础，对 于提高高速列车的运行寿命具有重要意义。目前传统的焊接方法大都采用氩弧焊。 氩弧焊是一种熔化焊，焊接时加热温度比较高，因此用这种焊接方法焊接铝合金 存在很多问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 焊接接头软化严重。软化原因主要是熔化焊焊接温度较高，焊接热使热影响 区的强度下降1 4 1 。 ( 2 ) 线膨胀系数大。铝及铝合金的线膨胀系数约为钢的两倍，凝固时的体积收缩 率达6 5 6 6 ，因此易产生焊接变形【1 5 】。 ( 3 ) 容易产生气孔。氢是铝合金焊接时产生气孔的主要原因氢主要来源于弧柱气 氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜的 吸附水分，对焊接气孔的产生，占突出的地位【1 6 】。 因此传统的焊接方法已无法满足要求，英国焊接研究所( t h ew d d i n gi n s t i t u t e t w o 发明的固相连接技术搅拌摩擦焊，由于在铝合金方面的成功应用成为了 国内外研究的热点课题。 搅拌摩擦焊是世界焊接技术史上自发明到工业应用时间跨度最短且发展最快 的一项神奇的连接技术。搅拌摩擦焊克服了传统焊接的接头强度低、易变形、易 3 j l 直窑丑五坐亟堂建监塞 缝业 产生气孔和夹杂，对环境造成污染等缺陷，其焊接接头组织致密，晶粒细化，综 合性能良好。因而，搅拌摩擦焊是一种经济、高效、高质量的“绿色焊接工艺”， 被称为2 1 世纪革命性的新型连接技术u 7 】。 目前搅拌摩擦焊已经在宇航、船舶、高速列车、汽车等制造领域的轻结构制 造中显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景，给铝合金焊接结构件的扩大应用 带柬新的希望和巨大潜力。 1 2 搅拌摩擦焊原理及特点 1 2 1 基本原理 图i 1 搅拌摩擦焊原理示意蚓 f i g a 1s c h e m e o f f i j c t i o ns t i r w e l d i n g p n n d m e 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ) 的实质是通过搅拌工具( 包括搅拌头轴肩和 搅拌针) 与工件之间的摩擦产生足够的热量将两部分待焊工件连接起来的一种固 相连接过程。如图11 所示，利用一个耐高温硬质材料制成一定形状的搅拌头，将 其端部搅拌针缓慢旋入两被焊材料的接缝中，高速旋转搅拌头的轴肩与被焊板件 的金属表面接触时产牛摩擦热，并在搅拌针周围产生了塑性金属，搅拌头沿着板 件的接缝运动时，利用搅拌针与工件材料间摩擦生热不断软化、挤压和搅拌前 方的金属，在搅拌头已走过的部位金属逐渐冷却形成焊缝。 焊接过程通常分为四步：( a ) 主轴带动搅拌头以一定速度旋转：c o ) 搅拌头在旋 转的同时沿工件法线方向j f 始进给并逐渐压入工件：( c ) 搅拌头压入到指定位簧后 停留一段时间，对局部焊接区域进行加热；( d ) 等周围材料充分塑化后，搅拌头j r 始沿焊接方向移动。搅拌摩擦焊接过程示意图如图l2 ： r o t a t i n gp l u n g i n gh e a t i a gm o v i n g kkb 蕾 2 2 工艺特点 削12 搅拌摩擦焊过捌示意幽 f i 9 1 2s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f f r i c t i o ns t i r s w e l d i n g 由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的 熔化，是一种固态焊接过程，可阻焊接用普通熔化焊方法难以焊接的材料( 例如 可以实现熔化焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7 0 0 0 、2 0 0 0 系列铝合金的高质量 连接) ，其主要优点如下： n ) 焊接热影响区显微组织变化小，接头机械性能( 包括疲劳、拉伸、弯曲) 优 良： ( 2 ) 焊接接头质量高，在焊接过程中不会出现普通焊接中的容易产生的气孔、夹 杂和凝崮裂纹等缺陷： ( 3 1 焊接温度低，焊后变形较熔化焊小得多，基本可实现板件的无变形焊接。在 同等情况下，f s w 的变形为m i g 捍的1 1 2 以下，为y a g 激光焊接的1 7 ， 焊后工件尺寸精度高，减少了焊后矫形及修整工序剐： 似1 生产成本低，效率高： ( 5 1 焊前及焊后处理简单，焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧化 膜及附着的杂质，且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料； ( 6 1 焊接过程中无烟尘、辐射，飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，是一种清洁、 环保的焊接技术。 13 搅拌摩擦焊在铁道车辆方面的应用 由于f s w 实现了金属的尤熔化连接，它所需的热量根少，凶而产品的变形相 应也小，焊接接头强度优于m i g 焊焊接接头，并且缺陷率低，竹约成本，即便是 对铁道车辆制造中常见的长焊缝焊接也是如此，目前该技术已应用到包括轻轨、 地铁、快速列车和高速列车等轨道交通行业在内的众多领域【l 。 1 9 9 7 年，同立公司开始将搅拌摩擦焊技术用于铝合金列车车体地板。1 9 9 8 年 日本轻金属公司也将该技术用于地铁车辆制造。根据最微会相、x 射线和拉伸试 j e 豆至煎去芏蝗坐位监室 缝盐 验证明，这种连接质量优良口”。1 9 9 8 年，日本住友公司生产的搅拌摩擦焊地板已 用于日本新干线车辆的制造【列。搅拌摩擦焊成型的铝台余列车地板如图13 所示。 s h a r y o 公司和另一家公司对运行在t o k a i d o 和山阳新干线的7 0 0 系新车的地板一直 采用由住友轻金属公司生产的f s w 焊接板，这些列车中有的是作为“希望号”列 车以2 8 5k m h 的速度在线路上运行叫。 图l3 搅拌摩擦焊成形的列车地板 f i g 13t r a i n f l o o r f a b r i c a t e d b y f s w 1 7 立公司已在铝台金单层及双层客车和地铁车辆制造中采用搅拌摩擦焊【2 ”， 焊接质量良好。到目前为止，日立车辆制造公司已经开发了一系列通勤车辆和特 快车辆。 幽14 应用搅拌摩擦焊技术的a - t r a i n f i g1 4a - t r a i n f a b r i c a t e db y f s w 开立公司已将f s w 工艺用于a 型车辆的车体主焊缝川。a 型车辆由铝合金空 心挤压型材构成的双层车体与刚性的带内部装饰件的独立型模块式组件组合而 成。其横截面有结实与柔性的优势形成了式样新颖的外部结构。双层壳也保证 了结构的良好阿性以及给予乘客安静的内部环境。其箱形截面铝具有良好的能量 吸收特性。当其受到碰撞的压缩负荷时，箱形截面铝会被压皱以吸收大量的冲击 能量。“a - t r a i n ”具有结构简单、压缩强度高、生产周期短、制造成本低、易于翻 新改造，与环境发好等优点。现在，l = la - t r a i n 概念为蓝本的列车已广泛服务于只 本轨道交通业。a - t r a i n 概念列车比普通列车运行速度更快，但车厢内环境却更安 静并且抗冲击性更好瞄i 。 2 0 0 0 年。a l s t o m 公司开始已将这种技术用于哥本哈根市郊列车的车顶板和侧 墙板上。图1 5 为法国a l s t o m 公司用搅拌摩擦焊接工艺为德国s a l z g i t t e r 公司生 产的车顶板 图1 5a i s t o m 公司生产的，l 车车项扳 f i g1 5t r a i n c e i l i n g f a b r i t e d b y f s w b y a l s t o m c o r p 德国阿尔斯通公司用f s w 焊接制造了e t 4 2 3 列车。德国b o m b a r d i e r 公司采 用瑞典s a p a 公司的搅拌摩擦焊拼接板材制造了e l e c t r o s t a r 列车的车体板，并订购 了3 7 6 辆搅拌摩擦焊列车车厢用于维克多利亚线路车辆的升级2 4 1 。 1 4 a 1 m g s i 系铝合金搅拌摩擦焊组织及性能的研究 材料的微观组织结构和力学性能密切相关。a 1 m g - s i 系铝台金具有中等强度， 抗拉强度靠为1 6 0 a 3 2 0 m p a ，延伸率赴8 - 1 0 ，有良好的加工性能，可热 处理强化，属热处理可强化合金阱】。因此该系列铝合金的应用较为广泛，国内外 许多研究者对该系列铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织和力学性能进行了研究， 取得r 积极进展。 赵勇等口q 针对6 0 6 1 铝合盒采用t i g 、m i g 和f s w 的焊接方法所得到的焊接接头 性能进行试验研究，测试了3 种方法得到的焊接接头的抗拉强度“和延伸率d ，并对 接头的微观组织和断l i 形貌进行了观察和分析。结果表明，搅拌摩擦焊接头的抗 拉强度最高，达到母材强度的8 06 。m i g 焊的接头强度要高于t i g 焊接头的强度； 熔化焊接头的拉伸试样均断裂在熔合线处，而搅拌摩擦焊接头拉伸试样断裂在焊 缝中心，且强度高于熔化焊接头的强度。搅拌摩擦焊接头的组织比母材细小，m i g 焊和t 1 g 焊接头的晶粒中弥教着大量的析出相质点；t i g 焊试样断口的韧窝少而浅， 有等轴型韧窝同时也存在抛物线型韧窝在韧窝附近有类似于准解理断裂的光滑 平台；而m i g 焊断口的韧窝大多成等轴型，韧窝的深度也要比t i g 焊的韧窝深；在 f s w 焊缝区的断口中等轴型韧窝的数量最多，尺寸要l 匕t i g 焊接头的韧窝小而深， 许多小韧窝聚集成尺寸较大的韧窝，在宏观上表现为接头的塑性比t i g 焊接头好。 胡煌辉、栾国红、柴鹏等人【2 7 】研究了旋转速度与焊接速度的匹配对6 0 6 3 铝合 金搅拌摩擦焊接头形貌以及力学性能的影响。在高旋转速度、高焊接速度匹配条 件下能够获得优质搅拌摩擦焊接头。旋转速度与焊接速度匹配不当，可能在焊缝 表面形成飞边，使焊缝成型粗糙，光洁度变差。在旋转速度高于1 5 0 0 r m i n 时，接 头强度均可达到母材强度的9 0 以上，接头延伸率最高可达母材的8 5 3 。研究认 为搅拌摩擦焊接有助于接头金属的晶粒细化以及强化相的弥散分布，因此改善了 接头的塑性变形能力并提高了接头的冲击性能。 柴鹏、简波、季亚娟、栾国红【2 8 】研究t 6 0 6 3 t 6 5 1 铝合金的冲击性能、塑性变 形能力及其搅拌摩擦焊接接头的微观组织。研究表明，搅拌摩擦焊接头为较细的 再结晶组织，且强化相呈弥散分布，其冲击性能和塑性变形能力与母材相近。 j a d a m o w s k i 等人【2 9 1 对6 0 8 2 t 6 铝合金搅拌摩擦焊工艺参数对微观组织和力学 性能的影响规律进行了研究。研究表明，在旋转速度一定的情况下，接头抗拉强 度随着焊接速度的增加而增大，在热影响区前进侧软化较严重，这与拉伸断裂位 置是一致的，在对焊缝进行分析时发现在接头表面出现了飞边及隧道型缺陷。 a s c i a l p i 等【3 0 】对轴肩形状和尺寸对6 0 8 2 铝合金搅拌摩擦焊接头组织结构和机 械性能的影响进行了研究。对于厚度为1 s m m 的6 0 8 2 t 6 铝合金薄板，在焊接速 度为4 6 0 m m r n i n 和搅拌头旋转速度为1 8 1 0 r p m 时，采用带有凹槽和轴肩带有圆角 的搅拌头接头成型最好，纵向和横向抗拉强度均提高。 p c a v a l i e r e a 等人【3 i j 对厚度为4 m m 的6 0 8 2 t 6 铝合金搅拌摩擦焊工艺参数对 机械性能及组织结构的影响进行了研究。在旋转速度一定的情况下，接头抗拉强 度随着焊接速度的增加而增加，在热影响区前进侧软化较严重，这与拉伸断裂位 置相一致，并且发现在焊核区和热机影响区交界处形成隧道型缺陷。研究了搅拌 摩擦焊接头组织的变化，研究主要是围绕焊核区、热影响区、热机影响区，在焊 核区出现了典型的洋葱环结构。 p c a v a l i e r e 等人【3 i j 还研究了焊接参数对晶粒度的影响，研究指出，搅拌速度 一定时，不同焊接速度下，晶粒大小和分布有很大的差异，当焊接速度较低时， 由于不同焊接速度下变形时，温度及受到的真实应力大小不同，晶粒度差别很大。 当焊接速度增大到1 6 5 m m m i n 时，再增加焊接速度，晶粒度变化不大，达到 4 6 0 m m m i n 时，晶粒大小基本不再变化。旋转速度和焊接速度的最佳比值是1 4 。 s u n g g o nl i m 等t 3 2 g v j - 6 0 6 1 t 6 5 1 糌搅拌摩擦焊工艺对性能的影响进行了研 究。随着焊接速度的降低或旋转速度的增加，接头延伸率降低，焊接参数对屈服 8 强度和抗拉强度影响较小。金相组织和断口观察表明，接头性能的变化主要与粗 大m 9 2 s i 析出相的聚集有关。搅拌针旋使焊核区塑性流动，带动粗大的m 9 2 s i 旋转 并将其推到距焊核区一定位置。 l 。l i u 等【3 3 】对6 0 6 1 - t 6 搅拌摩擦焊的接头组织与性能进行了研究。在较低的旋 转速度和焊接速度下，焊缝中心和焊缝底部均呈现明显的楔形微观组织变形区。 通过扫描电镜和透射电镜观察，发现在热机影响区有更多的等轴晶粒边界，因为 该区摩擦热和塑性流动使母材组织变成细小的再结晶晶粒。在热机影响区，由于 热和机械效应，产生塑性变形，同时由于塑性流动，使较粗大的晶粒围绕搅拌针 高速旋转产生亚晶。 w o n - b a el e e 等【3 4 】对6 0 6 1 - t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头组织和焊后热处理进行了 研究。在搅拌摩擦焊过程中，存在摩擦热和塑性流动，由于动态回复和再结晶在 焊缝区附近形成细小的等轴晶和变形伸长的组织。由于强化相的溶解和粗化，在 焊缝附近不可避免地出现软化现象。 g m a d h u s u d h a nr e d d y 等【3 5 】对6 0 6 1 铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织、残余应力 分布、力学性能进行了研究。与传统熔化焊相比较，搅拌摩擦焊受到更加严厉的 夹具约束，焊缝横截面的残余应力分布是不对称的，最大残余应力梯度发生在焊 接接头前进侧。显微硬度和拉伸性能表明，焊接过程中由于析出相的溶解，出现 软化区域，热机影响区是接头的薄弱区域，接头抗拉强度和延伸率比母材低。 英国的t 、i 、瑞典的s a p a 和挪威的h y d r o 舢u m i 舢m 【3 6 】系统评定了6 0 8 2 铝合 金搅拌摩擦焊缝的拉伸性能。这些性能数据表明，对固溶处理加入工时效的 6 0 8 2 - t 6 铝合金，其搅拌摩擦焊接头的拉伸强度经焊后热处理可以达到与母材等 强，而延伸率有所下降。t 4 状态的6 0 8 2 铝合金试件焊后经常规时效可以显著提 高接头性能。 h a a g e n s e n 等网对5 m m 厚度的6 0 8 2 t 4 铝合金搅拌摩擦焊接头与m i g 焊接头 进行了比较研究。结果表明，搅拌摩擦焊接头的性能介于母材和m i g 之间。 p m g pm o r e i r a 等【3 8 】对3 m m 厚的6 0 8 2 t 6 铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展 行为进行了研究。研究表明，虽然搅拌摩擦焊的抗拉强度、屈服强度、硬度和延 伸率均低于母材，但是发现了裂纹扩展的阻力。用扫描电镜对母材区、焊核区、 热影响区疲劳裂纹进行观察，并对疲劳裂纹扩展进行了分析。结果表明，母材区、 焊核区和热影响区裂纹扩展速率不同，其中焊核区裂纹扩展速度最低，并且在裂 纹变化处分布着残余应力。 瑞典皇家工学院的e r i c s s o n 等人【3 9 】对搅拌摩擦焊焊速对疲劳的影响进行了研 究，在应力范围的s n 曲线图中，t 6 状态的6 0 8 2 铝合金在高、低焊速条件下疲 劳强度都是9 0 m p a ( 循环次数为5 1 0 5 ) ，特别低的焊速下约为1 0 0 m p a ；在应力 9 范围和平均应力的s - n 曲线图中，t 4 状态j j n _ t ：焊后热处理( t 4 + p 的铝合金分 别在高低焊速下测试的结果都差不多，在特别低焊速下性能最好；两种状态的接 头在循环次数为5 1 0 5 时应力范围都为9 0 m p a 左右，只是在高焊速下完成的 t 4 + p w a t 的接头在高应力范围区疲劳强度偏高，t 6 的接头在低应力范围区( 小于 8 0 m p a ) 疲劳强度偏高。e r i c s s o n 等人还把f s w 接头的疲劳性能与t i g 和m i g 焊 进行了比较，在应力范围的s - n 曲线图中t 6 状态的6 0 8 2 铝合金在f s w 高、低焊 速条件下其疲劳强度都是9 0 m p a ( 循环次数为5 1 0 5 ) ，而t i g 和m i g 焊的强度分 别只有7 0 m p a 和6 0 m p a 。 p m g p m o r e i r a 等【删分析比较了6 0 8 2 铝合金f s w 接头与m i g 接头的疲劳 强度和拉伸强度，结果表明6 0 8 2 铝合金f s w 焊接头的屈服强度低于m i g 焊接头， 但是f s w 接头的抗拉强度和延伸率都比m i g 接头的高，6 0 8 2 铝合金m i g 焊，屈 服强度和抗拉强度是母材的6 5 ，f s w 接头屈服强度是母材的5 1 ，抗拉强度是 母材的7 0 。 m e r i c s s o n 等【4 l 】对4 m m 厚的6 0 8 2 铝合金搅拌摩擦焊焊接速度对疲劳断口的 影响进行了研究，并与熔化焊m i g 和t i g 接头的疲劳断口进行了比较。结果表明， 焊接速度对疲劳性能的影响不大；搅拌摩擦焊接头的疲劳性能比m i g 和t i g 焊高， t i g 焊的疲劳性能比m i g 焊的疲劳性能高。焊后人工时效状态的疲劳性能与焊后 自然时效接头相差不大，因为t 6 状态的铝合金延伸率高，应力集中降低，裂纹扩 展主要发生在热影响区，然而在t 4 状态下的铝合金裂纹扩展在焊缝中心处。 p m g p m o r e i r a 等【4 2 】对3 m m 厚的6 0 61 t 6 和6 0 8 2 t 6 两种铝合金m i g 焊和f s w 焊接接头的疲劳行为进行了研究。结果表明，m i g 焊接头的疲劳寿命低于f s w 接 头。当应力低于1 3 0 m p a 时，6 0 6 1 t 6 铝合金f s w 接头疲劳寿命比6 0 8 2 t 6 铝合金f s w 接头疲劳寿命低，而6 0 6 1 - t 6 铝合金m i g 接头疲劳寿命比6 0 8 2 t 6 铝合金f s w 接头 疲劳寿命高。 s t e f a n om a g g i o l i n o 等人 4 3 】对6 0 0 0 系列铝合金搅拌摩擦焊接头与m i g 焊接头 的耐腐蚀性能进行了研究。结果表明，f s w 接头的耐腐蚀性优于m i g 焊接接头。 f s w 接头与母材耐腐蚀性能差别不大，而m i g 焊在接头热影响区界面处腐蚀率较 大。 1 5 研究内容 搅拌摩擦焊与传统的熔化焊相比具有明显的优越性。随着搅拌摩擦焊技术研 究工作的深入，其在工业领域中的应用将不断扩大。本课题通过对6 0 8 2 - t 6 铝合 金搅拌摩擦焊接头组织和性能的研究，为改善搅拌摩擦焊技术提供数据支持。 1 0 本文的研究内容有： ( 1 ) 对同种铝合金进行搅拌摩擦焊和双面氩弧焊接对比试验，利用光学显微镜及扫 描电镜对焊接试样的微观组织进行观察，研究搅拌摩擦焊与双面氩弧焊组织变 化的微观机理，并对焊接接头的显微硬度进行测试与分析。 ( 2 ) 对搅拌摩擦焊和氩弧焊接头拉伸性能进行研究，比较搅拌摩擦焊与双面氩弧焊 接头的拉伸性能并对拉伸断口形貌进行分析。 ( 3 ) 对搅拌摩擦焊和氩弧焊拉伸试样断口处的组织形貌进行观察和分析。 ( 4 ) 测定搅拌摩擦焊和双面氩弧焊接头在特定循环寿命下的疲劳强度值，并分析搅 拌摩擦焊接头的疲劳行为及影响因素。 2 试验材料及方法 2 1 试验材料 在铝合金车辆上，根据不同部位的使用要求，综合强度、制造工艺、耐腐蚀 等方面的要求，选择不同的铝合金材料。在铁道车辆上，一般选用6 0 0 5 a 、6 0 8 2 、 6 0 6 0 、5 0 8 3 、7 0 2 0 、7 0 0 5 和5 7 5 4 铝合金作为车辆结构用材，其它铝合金由于强度、 焊接性等原因很少采用【9 】。 本课题针对6 0 8 2 t 6 铝合金进行研究。6 0 8 2 t 6 铝合金是可热处理强化的铝合 金，属a i m g - s i 系，其主要强化相为m 9 2 s i ，具有中等强度和良好的焊接性能、 耐腐蚀性【删。其化学成分1 2 5 j 见表2 i 。焊接接头性能的优劣与材料本身的力学性能 密切相关，6 0 8 2 t 6 铝合金的力学性能【2 5 】见表2 2 ，材料物理性能直接影响焊接质 量，6 0 8 2 t 6 合金的物理性能【2 5 】见表2 3 。 表2 16 0 8 2 t 6 铝合金的化学成分( w t ) t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f6 0 8 2 - t 6 a l u m i n u ma l l o y 状态抗拉强度仃6 m p a屈服强度o r o 2 m p a 剪切强度f m p a伸长率8 h v 2 2 试验设备及方法 搅拌摩擦焊工艺试验采用的搅拌摩擦焊设备是由北京航空制造工程研究所自主研 制的大型悬臂式数控搅拌摩擦焊机，转速范围为1 0 0 - 3 0 0 0 r p m ，焊接速度范围为 2 0 3 7 5r a m r a i n 。如图2 1 ( a ) 所示。试验用搅拌头如图2 1c o ) 所示，其主要规格参数 为：轴肩直径2 5 m m ，搅拌针径8 m m ，长度9 7 5 m m ，倾斜角度为2 0 。搅拌头采用 1 2 j e 夏至堂厶堂亟主堂芷监噩2 试验挝拱垂直迭 螺纹结构，因为螺纹形搅拌头在旋转的同时，可以产生向下的锻造力，使搅拌头 搅拌更充分，摩擦产生充足的热量，从而使材料完全达到塑性状态，有利于焊缝 成型试扳尺寸为4 0 0 m m ( 长) x 1 5 0 r a m ( 宽) o m m ( 高) 。采用对接形式进行焊接。焊 接前，焊接表面经h i l , r 0 打磨，用专用央具将两块板沿与板面垂直方向夹紧，以保 证两板连接处的缝隙结合紧密。搅拌摩擦焊工艺参数为：焊接速度3 0 0 r a m r a i n ，搅 拌头旋转速度8 0 0 r a m r a i n 。 图2i 搅拌摩擦焊设备及搅拌头 f i 9 21f s w m a c h i n ea n ds t i r t o o l ! 嚣：麓 3 。- 。q z 。拣。 酗2 2 氟弧焊接示意幽【4 5 】 f i g22f s w m a c h i n ea n ds t i r t o o l 利用w s j 5 0 0 手工钨极毓弧焊机对上述尺寸规格的6 0 8 2 - t 6 铝合金板材进行焊 接，氩弧焊示意图如图22 所不。焊前试样开“x ，型坡口，进行化学清洗后用不锈钢 丝刷子刷除试件坡口及附近的表面氧化膜。焊接规范见表2 4 ，实验选用e r 4 0 4 3 铝 硅合金焊丝。