6005A-T6铝合金对搭接FSW接头微观组织与力学性能

摘要：

对4.5 mm厚6005A-T6铝合金型材对搭接FSW接头研究其组织与力学性能。研究表明，FSW接头成形良好，焊核内部没有缺陷；焊核区“S"线呈现不连续分布状态，焊核区为再结晶后细小等轴晶粒，热影响区的强化相在高温影响下析出形成接头“软化区"；拉伸试验表明，接头断裂于热影响区，抗拉强度为256 MPa，达到母材的84%；弯曲试验表明，接头弯曲性能合格；硬度试验表明，接头硬度值为69HV，整个焊接接头区域硬度值较为平均，无明显波动起伏；脉动拉伸疲劳试验测得接头的中值疲劳强度为97 MPa；适当提高铝合金FSW焊接速度，不仅可以优化接头力学性能，而且可显著提高焊接生产效率，对实际生产具有十分重要的意义。

引言

搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型固相连接技术，具有优质高效、节能环保等优点，主要应用于铝、镁等轻型合金的焊接。近几年，该技术广泛应用于轻轨、地铁、城域列车及高速列车车体领域。单轴肩搅拌摩擦焊也广泛应用于轨道车辆中。在FSW焊接时，轴向载荷较大，为实现施焊过程中的刚性固定问题，利用中空型材的搭接面代替背衬垫板；此外，焊接时可能产生飞边使焊缝减薄，因此设置了凸台部分来弥补材料损失。基于上述焊接需求，对地铁侧墙的装配焊接，中空铝合金型材对搭接接头就成为优选接头形式。目前，对于6xxx系铝合金FSW报道的结果中，大多数采用<1000 mm/min的较低焊接速度。焊接速度已成为制约搅拌摩擦焊部件生产的最大瓶颈。本文采用优化后的搅拌头在提高转速与焊接速度条件下，对6005A-T6铝合金对搭接接头进行搅拌摩擦焊，并对接头微观组织和相关力学性能进行表征分析。

1 试验方法与过程

试验材料：厚4.5 mm的6005A-T6地铁薄壁铝合金型材，其化学成分（质量分数，%）为：Si 0.59，Mg 0.57，Fe 0.18，Mn 0.12，Cu 0.09，Zn 0.02，Cr 0.01，Ti 0.01，Al余量。力学性能实测值为：屈服强度224 MPa，抗拉强度302 MPa，断后伸长率6%。

６００５Ａ－Ｔ６ 铝合金ＦＳＷ 对搭接接头尺寸试样图

焊接工艺： 选用优化后的搅拌头，单轴肩搅拌摩擦焊设备，焊接速度1100 mm/min，搅拌头旋转速度1500 r/min，前倾角1.5°，装配间隙0 mm，错边量≤0.3 mm。坡口形式为I形，t1=t2=4.5 mm。

检测与试验：

外观检查与渗透检测，符合ISO 25239-5:2011标准。

金相观察：DMi8-Leica数码金相显微镜。

拉伸试验：WDW-3300电子万能试验机，5 mm/min应变速率，室温。

弯曲试验：20 mm/min弯曲速率，2个面弯+2个背弯。

硬度试验：FM-700维氏硬度仪，500 g载荷，保压15 s，沿焊缝中心线每隔0.5 mm打点。

疲劳试验：PLG-100高频疲劳试验机，循环应力比0.1，寿命1×10⁷次，按GB/T 13816-1992标准。

2 试验结果与分析讨论

2.1 金相组织分析

接头宏观形貌： 焊核区金属塑性成形良好，无hook缺陷；“S"线断续存在，痕迹较浅；搭接面间隙约0.33 mm。

母材组织：晶粒沿轧制方向拉长，强化相弥散分布，存在β″沉淀相。

热影响区（HAZ）：晶粒粗化，析出β′（Mg₂Si）相，因过时效导致软化。

热机影响区（TMAZ）：晶粒被拉长、变形，动态再结晶明显。

焊核区（NZ）：细小等轴晶，动态再结晶充分，无缺陷。

接头宏观照片

ＦＳＷ 接头显微组织

2.2 拉伸试验

结果：接头平均抗拉强度256 MPa，为母材的84%；断裂位置在HAZ，断口为韧性断裂（等轴韧窝）。

原因： HAZ晶粒粗大、析出相增多，屈服强度降低。

ＦＳＷ 接头室温拉伸试件宏观照片

ＦＳＷ 接头拉伸试件的断口形貌

2.3 弯曲试验

结果：面弯和背弯试件弯曲角达180°，无裂纹，弯曲性能合格。

ＦＳＷ 接头弯曲宏观照片

2.4 硬度试验

硬度分布：呈“W"形，HAZ（69 HV），焊核区75-89 HV，整体波动小。前进侧TMAZ硬度略高于后退侧（机械搅拌更强烈）。

ＦＳＷ 接头显微维氏硬度分布

2.5 疲劳试验

中值疲劳强度：97 MPa（1×10⁷次循环）。

断裂位置：高应力（150 MPa）时断于焊核（搭接面间隙0.33 mm为薄弱区）；低应力时断于母材圆弧过渡处。

断口形貌：

高应力焊核断口：启裂区为45°斜向撕裂棱，扩展区为河流状准解理，终断区为韧窝（韧性断裂）。

低应力母材断口：启裂源于内部夹杂，扩展区为致密疲劳条纹，终断区为深韧窝（典型疲劳断裂）。

ＦＳＷ 接头疲劳试验Ｓ－Ｎ 曲线

部分接头脉动拉伸疲劳试件宏观照片

ＦＳＷ 接头疲劳试件ＧＪ－１ 断口形貌

ＦＳＷ 接头疲劳试件ＧＪ－２ 断口形貌

3 结论

1. 组织特征：接头无缺陷，母材纤维状晶粒，HAZ晶粒粗化，TMAZ晶粒变形，NZ为细小等轴晶。

2. 力学性能：焊接速度1100 mm/min下，接头抗拉强度256 MPa（母材84%），弯曲180°无裂纹，硬度69 HV，疲劳强度97 MPa。

3. 优化意义：提高焊接速度可兼顾性能与效率，对实际生产有重要价值。