6061-T4铝合金T型接头搅拌摩擦焊工艺

作者:侯晓鹏;杨新岐;崔雷;周光 刊名:中国有色金属学报 上传者:王迪(综述)

【摘要】采用搅拌摩擦焊方法成功获得3种不同组合形式(搭接/对搭接/对接)的6061-T4铝合金T型接头。对接头的焊接缺陷、微观组织、硬度分布及抗拉强度分别进行观察和测试。结果表明:在前进侧圆角过渡区或筋板焊核区,3种接头均容易出现隧道缺陷;弱结合缺陷由于塑性变形偏离原始连接界面而向筋板或者壁板前进侧偏移;与常规搅拌摩擦焊对接搭接接头不同,T型接头沿筋板方向出现热机影响区和两个圆角过渡区;软化区域和弱结合是导致沿壁板拉伸强度降低的主要原因,而弱结合和隧道缺陷是引起这3种T型接头沿筋板方向断裂的重要原因。

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铝合金T型接头是一种在航空航天、高速客车、船舶建造及汽车车体等轻量化结构制造领域广泛应用的接头形式,它可以有效提高壁板稳定性而使整个构件的质量没有显著增加。目前,通常采用的熔焊方法容易出现铝合金常见的裂纹、气孔等焊接缺陷,较大的焊接热循环又会产生很大的残余变形,这些都会严重地降低接头质量。搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding,简称FSW)是一项环保、节能、多用途的新型固相连接技术[12]。由于其焊接过程中接头部位不存在金属的熔化,因而可避免铝合金熔焊中常见的缺陷,并且具有焊后残余变形小等优点。因此,把FSW技术拓展到铝合金T型接头中将具有广泛的研究和应用价值。最近几年,国外一些研究机构已对铝合金T型接 头开展了基础性的研究并取得了初步的成果。BUFFA等[37]通过数值模拟与试验结合的方法,对搅拌摩擦焊T型接头中的金属流动[34]、温度场和应力场[56]及残余应力分布[7]等进行了探讨。分析探讨的结果对焊接工艺选择、接头性能提高及缺陷消除等有重要指导作用。另一些研究者对同种铝合金[89]和异种铝合金[7,1013]搅拌摩擦焊T型接头的焊接工艺进行了研究,并分析讨论工艺、焊缝组织及性能之间的相互影响规律。研究结果表明:6082铝合金T型接头的焊接性能明显好于2024铝合金;当轴肩尺寸较小时2024T4与7075T6异种铝合金组成的T型接头容易出现隧道或空洞缺陷,适当提高轴肩尺寸可有效减少缺陷;6056与7075异种铝合金组成的T型接头,沿壁板方向抗拉强度可与母材相当,但是伸长率和韧性明显降低。需要指出的是,关于FSW-T型接头的焊接缺陷还没有专门系统地分析讨论,而且只是针对T型接头某一种组合形式(搭接或对接T型接头)进行研究,也没有对接头沿着壁板和筋板两个方向的力学性能进行系统地分析和对比。而国内针对铝合金T型接头的搅拌摩擦焊研究更是少见。本文作者针对工业上广泛应用的6061T4铝合金,对3种壁板和筋板组合形式的T型接头进行了搅拌摩擦焊试验,并对接头缺陷、显微组织及力学性能进行了系统的研究,从而为工程应用提供理论基础。1实验试验材料为3mm厚的6061T4铝合金,化学成分及力学性能见表1。采用H13工具钢加工圆形凹面轴肩和锥形搅拌针一体的搅拌头,轴肩直径15mm,凹入角度为5,搅拌针根部直径5.5mm,顶端直径2mm,长度为4.5mm。如图1所示,搭接/对搭接/对接T型接头,3种不同组合形式的T型接头,分别用A/B/C接头表示。焊件由尺寸为350mm90mm和350mm45mm的两种长方形壁板与350mm65mm长方形筋板组成。如图2(a)所示,铝合金T型接头搅拌摩擦焊示意图,设计并使用了专用的夹具装置和拉伸卡具,夹具装置在壁板与筋板过渡部位设计为倒圆角,其主要目的是减少T型接头焊后残余应力与变形。焊接方向沿着轧制方向,焊接过程中的所有试验参数如表2所列。焊后沿垂直焊缝的方向切取试样,每种工艺参数下制备6个宽度为25mm拉伸试样(3个沿壁板加载,3个沿筋板加载,分别取3个拉伸载荷的平均值)和一个金相试样。图1不同组合形式的T型接头Fig.1CombinationmodesofT-joint:(a)T-lapjoint;(b)T-butt-lapjoint;(c)T-buttjoint图2T型接头搅拌摩擦焊示意图和拉伸加载方式Fig.2Schematicillustration(a)andloadingmethods(b)forFSWedT-joints表1AA6061T4铝合金的化学成分及力学性能Table1Chemicalcompo

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