Effect of assembly gaps on mechanical properties of aluminum alloy friction stir welding joints
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摘要:
采用不同装配间隙（搭接间隙、对接间隙和错边量），对异质铝合金5083-O/6082-T6的T形接头实施了搅拌摩擦焊，对焊后接头力学性能进行了对比分析。结果表明，当搭接间隙、对接间隙和错边量在一定范围内增加时，T形接头的拉伸性能和剪切性能波动不大，弯曲性能逐渐下降；当搭接间隙控制在0.6 mm、对接间隙1.2 mm和错边量0.6 mm时，T形接头成形良好，未发现隧道孔、孔洞等缺陷，壁板和筋板之间均得到有效的连接，可作为T形接头在实际工程上实施搅拌摩擦焊的关键控制点。
Abstract:The T-type joint of heterogeneous aluminum alloy 5083-O/6082-T6 was subjected to friction stir welding by using different assembly gaps including lap gap, butt gap and misalignment, and the mechanical properties of the welding joint were compared and analyzed. The test results show that when the lap gap, butt gap and misalignment increase within the certain range, the tensile and shear properties of the T-joint do not fluctuate significantly, and the bending performance decreases. The lap gap is controlled at 0.6 mm, the butt gap is 1.2 mm, and the misalignment is 0.6 mm, the T-joint is in good shape, no tunnel, hole and other defects are found, and the wall plate and rib plates are effectively connected, which can be used as the key control point for the T-joint to implement friction stir welding in engineering application.
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Keywords:
- assembly gaps /
- aluminum alloy /
- friction stir welding /
- mechanical properties
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0. 前言
搅拌摩擦焊（friction stir welding, 简称FSW）作为一种新型的固相焊接方法，具有焊缝成形美观、综合力学性能良好、焊接变形小、绿色环保和无需添加焊材等优点，在轨道客车铝合金车体制造技术中已呈现出主流的趋势，得到了广泛的关注和推广应用[1 − 5]。目前，搅拌摩擦焊工艺多应用车体地板、车顶及侧墙部件的长直焊缝的对接、对搭混合接头的焊接，在司机室结构件上FSW应用的较少[6 − 10]。
Ｔ形接头设计是实现轻量化的关键结构之一，但传统熔化焊在Ｔ形构件角焊缝焊接方面并无明显优势，作为一种固相焊接技术，搅拌摩擦焊采用特殊的焊接夹具，对中、薄板Ｔ形构件实行单面焊成形技术，显著降低焊接热输入，减少焊接变形，因此Ｔ形接头结构实施搅拌摩擦焊工艺是具有一定的实际意义和发展前景[10 − 13]。由于T形接头固有的接头形式及产品的尺寸公差，生产过程中的装配间隙不可避免，采用不同的装配间隙（搭接间隙、对接间隙和错边量），对异质铝合金5083-O/6082-T6的T形接头实施了搅拌摩擦焊，研究装配间隙对铝合金T形接头力学性能的影响规律，为加快搅拌摩擦焊技术在铝合金车体司机室部件的应用提供一定的理论支撑。
1. 试验方法
试验所用材料为5000系与6000系铝合金，其中蒙皮材料为厚度4 mm 5083-O，筋板材料为厚度8和10 mm 6082-T6，与实际生产所用材料一致，为研究装配间隙对T形接头组织和性能的影响，搭接间隙、对接间隙及错边量的组对形式，如图1所示。
焊接试验在搅拌摩擦焊专用设备上进行，采用设计专用搅拌头，搅拌头的参数为轴肩20 mm、针长6 mm及顶端直径7 mm，焊接前倾角2.5°[14]，焊接工艺参数为转速1 200 r/min，焊接速度500 mm/min，下压量0.2 mm，试验选择13组装配间隙进行焊接，具体装配间隙条件见表1。
表 1 试验采用的装配间隙条件搭接间隙H1/mm 对接间隙H2/mm 错边量D/mm 8d-1 8d-2 8d-3 8d-4 10e-1 10e-2 10e-3 10e-4 10e-5 10f-1 10f-2 10f-3 10f-4 0.2 0.4 0.6 0.8 0.05 0.3 0.6 0.9 1.2 0.3 0.6 0.9 1.2 力学试验示意图如图2所示，焊接试验完成后，机械加工制取金相、拉伸、弯曲试样[15]，拉伸试验在室温条件下进行，采用CMT4304型电子万能试验机分别进行T方向剪切和L方向拉伸试验，加载速率10 mm/min，试验示意图如图2a，2b所示；弯曲试验示意图如图2c所示，试验对T形接头分别进行AS/RS侧（前进侧/后退侧）的弯曲试验，在试验过程中固定筋板，同时保证压头与筋板保持滑动关系，通过力−弯曲角度曲线测算断裂时的弯曲角度，并依据弯曲断裂角度评价接头的弯曲性能；剪切试验示意图如图2d所示，在试验过程中固定筋板，同时保证筋板受到向上的剪切力，试验结果得到剪切力，并以此为依据评价T形接头的剪切性能。
2. 试验结果与分析
2.1 搭接间隙对铝合金T形接头力学性能的影响
图3是不同搭接间隙T形接头的宏观形貌，筋板与壁板得到有效连接，前进侧搅拌作用明显，呈镰刀状，后退侧搅拌作用不明显，搭接界面向壁板方向发生偏移；搭接间隙在0.2～0.6 mm的条件下，T形接头成形良好，未发现隧道孔、孔洞等缺陷，壁板筋板之间均得到有效的连接；当搭接间隙大于0.6 mm时，T形接头出现表面开裂现象，成形不良。
图4为不同搭接间隙铝合金T形接头在T和L方向上的接头抗拉强度，当搭接间隙小于0.6 mm时，T方向及L方向的抗拉强度上下波动较小，压入量随着间隙的增加而增加；当搭接间隙达到0.8 mm时，T形接头在T方向和L方向的抗拉强度降低显著，分别降至为165和95 MPa，结合表面宏观形貌综合来看， T方向拉伸由于存在表面缺陷导致强度下降，而L方向基本未焊合。
对焊接接头进行弯曲试验，试样弯曲宏观形貌如图5所示，AS侧弯和RS侧弯试验结果如图6所示，由图可以看出，随着搭接间隙的增加，T形接头AS/RS两侧的弯曲性能不断下降，直至搭接间隙超过0.6 mm，试样焊缝表面出现开裂，试样AS侧发生明显的屈服现象，屈服角度3.1°～4.2°，断裂角度11.8°～19.8°；RS侧屈服角度0～2.8°，断裂角度1.8°～5.6°。 前进侧抗弯能力明显好于后退侧，这是因为焊接过程中，后退侧搭接界面向壁板方向发生偏移，导致未焊合缺陷的存在，使后退侧的抗弯能力大幅度下降。
对焊接接头进行剪切试验，剪切试样宏观形貌如图7所示，搭接间隙对铝合金T形接头剪切力的影响如图8所示。RS侧的剪切力明显高于AS侧，随着搭接间隙的增加，T形接头AS/RS两侧的剪切力的差别不大，接头按宽度25 mm折算，T形接头剪切力可达20 kN，剪切性能良好；搭接间隙超过0.6 mm时，焊缝表面出现开裂，表明搭接间隙对T形接头剪切性能的影响不明显。
2.2 对接间隙对铝合金T形接头力学性能的影响
当对接间隙为0.05～1.2 mm时，接头均得到有效的连接，成形良好，无明显焊接缺陷。图9为不同对接间隙铝合金T形接头在T方向和L方向拉伸试验结果，由图可知，铝合金T形接头在T方向及L方向的抗拉强度上下波动不大，当对接间隙达到1.2 mm时，T形接头在T方向和L方向的抗拉强度分别为205和82 MPa，虽然对接间隙对T形接头的拉伸性能影响不大，但是当对接间隙达到1.2 mm时，影响焊缝的外观，飞边也较大，存在轻微的隧道孔缺陷，观察焊缝宏观形貌，下凹量（未填满）随着对接间隙的增加而增加，已超出ISO25239的标准值。
对不同对接间隙的焊接接头进行弯曲试验， AS侧弯和RS侧弯试验结果如图10所示。随着对接间隙的增加，T形接头AS/RS两侧的弯曲性能均逐渐下降，当对接间隙达到1.2 mm时，抗弯性能极差，此外，试验过程中试样AS侧发生明显的屈服现象，屈服角度为1°～3°，断裂角度为10°～22°；RS侧也发生明显的屈服现象，屈服角度为1°～2°，断裂角度为2°～7°。
对焊接接头进行剪切试验，AS剪切和RS剪切试验结果如图11所示。RS侧的剪切力普遍高于AS侧，随着对接间隙的增加，T形接头AS/RS两侧剪切力的差别不大，直至对接间隙超过1.2 mm，这表明对接间隙对剪切性能的影响不大。
2.3 错边量对T形接头力学性能的影响
图12为不同错边量铝合金T形接头的宏观形貌，图13为T方向和L方向接头拉伸试验结果，当错边量小于0.6 mm时，T方向及L方向的强度上下波动不大，错边量为0.9 mm时，T方向及L方向的强度出现较大幅度的下降，T方向抗拉强度降为225 MPa，L方向抗拉强度降为59 MPa，压入量随着间隙的增加而增加；当错边量大于1.2 mm时，T形接头出现表面开裂现象，成形不良。
不同错边量AS侧和RS侧弯曲试验结果如图14所示，随着错边量的增加，T形接头AS侧的弯曲性能不断下降，RS侧的弯曲性能差异不大，直至错边量超过1.2 mm，试样表面出现开裂。在弯曲试验中，铝合金T形接头试样AS侧发生明显的屈服现象，屈服角度在1°～3°，断裂角度11°～22°；RS侧屈服角度0～1.5°，断裂角度2°～3°，在实际工程应用中，错边量的控制是必要的。
不同错边量AS侧剪切和RS侧剪切试验结果如图15所示，综合分析可以看出，RS侧的剪切力明显高于AS侧；当错边量控制在0.6 mm时，AS/RS两侧的剪切力均可接受；随着错边量的增加，T形接头AS/RS两侧的剪切力差异性变小，直至错边量超过1.2 mm，试样表面出现开裂，错边量对T形接头剪切性能的影响不明显。
综合以上分析可知，随着间隙/错边量的增加，筋板上方单位体积内的材料量不断减少，焊接过程中没有足够的金属填充间隙，导致T形接头成形困难，从而容易出现隧道孔、表面开裂等缺陷；由此，考虑工程应用变量对接头性能的影响，搭接间隙0.6 mm、对接间隙1.2 mm和错边量0.6 mm是T形接头3种装配间隙的控制点。
3. 结论
（1）当搭接间隙在0.2～0.6 mm时，铝合金T形FSW接头T方向、L方向的抗拉强度和剪切性能变化不大，AS/RS两侧的弯曲性能随着搭接间隙的增加呈现下降趋势；当搭接间隙大于0.6 mm时，T形接头焊缝出现表面沟槽，甚至开裂。
（2）当对接间隙为0.05～1.2 mm时，铝合金T形FSW接头均得到有效的连接，T方向、L方向的抗拉强度和剪切性能变化较小，AS/RS两侧的弯曲性能随着搭接间隙的增加而逐渐降低。
（3）当错边量大于0.6 mm时，铝合金T形FSW接头T方向、L方向的抗拉强度开始出现较大下降；随着错边量的增加，T形接头AS侧的弯曲性能不断下降，RS侧的弯曲性能差异不大；当错边量大于1.2 mm时，T形接头表面开裂。
（4）搭接间隙控制在0.6 mm、对接间隙1.2 mm和错边量0.6 mm是T形接头在实际工程上实施搅拌摩擦焊的关键控制点。
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表 1 试验采用的装配间隙条件
搭接间隙H1/mm 对接间隙H2/mm 错边量D/mm 8d-1 8d-2 8d-3 8d-4 10e-1 10e-2 10e-3 10e-4 10e-5 10f-1 10f-2 10f-3 10f-4 0.2 0.4 0.6 0.8 0.05 0.3 0.6 0.9 1.2 0.3 0.6 0.9 1.2 
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