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    • Research on the Performance of Friction Stir Welding and Fusion Welding Joint of High-speed Rail Connection Plate

    • YU Zhikai

      ,

      LIANG Chen

      ,

      MAO Mengying

      ,

      NIU Xujing

    • Vol. 52, Issue 10, Pages: 62-71(2022)   

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.10.10     

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  • YU Zhikai, LIANG Chen, MAO Mengying, et al.Research on the Performance of Friction Stir Welding and FusionWelding Joint of High-speed Rail Connection Plate[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(10): 62-71. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.10.10.
    Sections

    Abstract

    The metallographic, tensile, bending, hardness and fatigue properties of the high-speed rail connection plate welded joint of friction stir welding and fusion welding were compared and studied.The results show that both welding methods are qualified in metallography;The tensile strength of the joint of friction stir welding is 275.67 MPa and is about 4.5% higher than that of fusion welding, which is 263.8MPa; The bending property of friction stir welding joint is all qualified at 180°, and the crack occurs in the specimen of fusion welding head bending at about 110° due to the existence of pores;The hardness distribution of friction stir welding joint is similar to W shape, the microhardness value of the nugget zone of the central layer is about 79~104 HV, and the softening phenomenon occurs at -18~-6 mm and 6~18 mm, and the lowest hardness is 69 HV;The microhardness value of the weld zone on the central layer of the fusion welding joint is about 92~97 HV, the softening phenomenon occurs at about 3~9 mm, and the lowest hardness is 71 HV;The median fatigue limit of friction stir welding joint is 137 MPa and is about 17% higher than that of fusion welding, which is 117 MPa.

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    Keywords

    6082-T6 aluminum alloy; friction stir welding; fusion welding; microhardness; fatigue performance

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     EN

    0 前言

    随着FSW技术的快速发展，高速动车组及城轨地铁的车体部件已越来越多地采用搅拌摩擦焊进行焊接［

    1］。高铁连接板是车体前端的重要组成部分，也是重要的承载结构，其性能对列车运营的安全起到至关重要的影响。连接板材质为6082-T6铝合金［2］，目前的主要焊接工艺有单轴肩搅拌摩擦焊（FSW）以及熔化焊（MIG）。MIG焊生产效率高，尤其是大电流MIG焊适用于中厚板焊接，但接头强度较低，约为母材的50%~60%［3］，控制焊缝中气孔的产生是焊接主要问题；6082铝合金FSW接头抗拉强度可达母材的70%［4］，疲劳性能优于MIG焊接头，但屈服强度低于MIG焊接头，焊缝附近不可避免地出现软化现象，接头表面出现飞边和隧道型缺陷［5］。
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     EN

    本文分别采用FSW和MIG焊对23 mm厚6082-T6铝合金进行焊接，从两种焊接接头的力学性能、硬度、金相组织、疲劳性能等多个方面进行研究［

    6-10］，以得出适合高铁连接板焊接的合理工艺。
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    1 试验材料及方法

    1.1 试验材料

    动车组连接板为铝合金型材，材质6082-T6，厚度为23 mm，其化学成分与力学性能分别如表1、表2所示。

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    表1  6082-T6的化学成分（质量分数，%）
    Table 1  Chemical composition of 6082-T6 （wt.%）
    SiFeCuMnMgCrZnTiNiAl
    0.40 0.26 ＜0.10 ＜0.10 0.66 0.10 ＜0.10 ＜0.10 ＜0.05 余量
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    表2  6082-T6的力学性能
    Table 2  Mechanical properties of 6082-T6
    抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rp0.2/MPa伸长率A/%
    ≥300 ≥255 ≥9
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    MIG焊填充选用AL5087铝合金焊丝，其直径为ϕ1.2 mm，焊接保护气体成分为70%Ar、30%He和0.015%N2。焊接材料熔敷金属的化学成分与力学性能分别如表3、表4所示。

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    表3  焊接材料熔敷金属的化学成分（质量分数，%）
    Table 3  Chemical composition of deposited metal by weldingmaterials （wt.%）
    SiFeCuMnMg
    ≤0.25 ≤0.40 ≤0.05 0.6~1.0 4.3~5.2
    CrZnTiZrAl
    0.05~0.25 ≤0.25 ≤0.15 0.08~0.2 余量
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    表4  焊接材料熔敷金属的力学性能
    Table 4  Mechanical properties of deposited metal by welding material
    抗拉强度Rm/ MPa屈服强度Rp0.2/MPa伸长率A/%
    275 125 17
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    1.2 试验方法

    1.2.1 焊接工艺试验

    （1）搅拌摩擦焊工艺试验。

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    试板厚度t1、t２均为23 mm，焊缝形式为I型对接焊缝，采用Fooke公司的FSW150设备。另外，为补偿搅拌摩擦焊下压量，焊接区域有补偿凸台，高度2 mm，接头的具体形式如图1所示。

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     EN

    fig

    图1  连接板搅拌摩擦焊接头尺寸

    Fig. 1  Friction stir welding joint size of connecting plate

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    首先需要使用较小尺寸的搅拌头进行点固（见图2a），然后使用焊接搅拌头（见图2b）进行双面焊接，点固焊搅拌头针长3.8 mm、轴肩直径为12 mm，搅拌针根部直径为4 mm，端部3 mm。焊接用搅拌头针长14.8 mm、轴肩直径为25 mm，搅拌针根部直径9.5 mm、端部6 mm，内凹型轴肩。焊接工艺参数如表5所示。

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     EN

    fig

    图2  搅拌头形貌

    Fig. 2  Morphology of stirring tool

    （a）点固用搅拌头　　　　　 （b）焊接用搅拌头

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    表5  连接板搅拌摩擦焊工艺参数
    Table 5  FSW process parameters of connecting plate
    焊道

    焊接

    方法

    		搅拌针规格

    前倾角

    /（°）

    摆角

    /（°）

    主轴转速

    /（r·min-1）

    焊接速度

    /（mm·min-1）

    压入量

    /mm

    焊接开始时的

    停留时间/s

    焊接停止时的

    停留时间/s

    针长/mm轴肩直径/mm
    1 43 4.8 20 2 0 800 800 -0.1 1 1
    2 43 16.3 33 2 0 600 400 -0.2 1 1
    3 43 16.3 33 2 0 600 400 0 1 1
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    （2）MIG焊工艺试验。

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    连接板两侧母材厚度t1=t2=23 mm，焊缝形式为双边V型。具体接头形式及尺寸如图3所示，焊道顺序如图4所示，焊接工艺参数如表6所示。

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     EN

    fig

    图3  MIG焊接头尺寸

    Fig.3  MIG joint size

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    fig

    图4  MIG焊焊道顺序

    Fig. 4  MIG weld pass sequence

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    表6  连接板MIG焊工艺参数
    Table 6  MIG parameters of connecting plate
    焊道

    电流

    I/A

    电压

    U/V

    送丝速度

    v/（m·min-1）

    		弧长

    气体流量

    q/（L·min-1）

    1 245~265 24.2~24.5 15.2~16.2 -3~5 18
    2 240~260 24.1~24.4 14.9~16.0 -3~5 18
    3 240~260 24.1~24.4 14.9~16.0 -3~5 18
    4 245~265 24.2~24.5 15.2~16.2 -3~5 18
    5~8 240~260 24.1~24.4 14.9~16.0 -3~5 18
    9~13 230~255 24.0~24.3 14.4~15.8 -3~5 18
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    1.2.2 检测标准及方法

    （1）金相检测。对焊接接头试件进行加工、打磨、抛光、腐蚀，然后在Neophot-32数码金相显微镜下观察母材、热影响区、焊缝区和熔合区的显微组织，腐蚀液为混合酸溶液。

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    （2）拉伸试验。拉伸试验按照ISO4136—2001标准进行，拉伸试样形状及尺寸如图5所示。

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     EN

    fig

    图5  拉伸试件形状及尺寸

    Fig.5  Shape and size of tensile specimen

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    （3）弯曲试验。根据ISO5173标准要求，在室温下进行弯曲试验，弯曲试件形状及尺寸如图6所示。另外，根据ISO15614—2标准进行侧弯试验。

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    fig

    图6  弯曲试件形状及尺寸

    Fig. 6  Shape and size of bending specimen

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    （4）硬度试验。试验选用维氏硬度，由于试件过厚（板厚23 mm），沿焊缝厚度方向分别进行2次试验。根据GB/T4342—1991《金属显微维氏硬度标准》，利用HV-50A型维氏硬度计测量焊接接头截面（焊缝—熔合线—热影响区—母材）的维氏硬度分布，并使用ORIGIN75软件绘制硬度分布图。显微硬度仪的参数设置为：载荷49 N，保持时间15 s，步长2 mm，硬度打点分布如图7所示。

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    fig

    图7  搅拌摩擦焊硬度试件打点分布

    Fig. 7  Hardness test specimen dot distribution

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    （5）疲劳试验。高频疲劳试验机采用PLG-200微机控制。设定R=0.1的循环应力比，1×107次循环寿命。当疲劳裂纹尺寸足够大，无法增加更多载荷时，设备将自动卸载并停止振动，保存循环次数。对接接头的脉动拉伸疲劳试件形状及尺寸如图8所示。

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    fig

    图8  脉动拉伸疲劳试件形状及尺寸

    Fig.8  Shape and size of pulsatile tensile fatigue specimen

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    2 试验结果与分析

    2.1 金相试验结果及分析

    FSW和MIG焊接头宏观金相如图9所示。通过观察焊接接头可知，FSW和MIG焊接头均成形良好，FSW接头可见“S”线，没有出现未焊透、夹杂、气孔、隧道等焊接缺陷。

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    fig
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    图9  FSW和MIG接头宏观金相

    Fig.9  Macro metallography of FSW and MIG joints

    6082-T6铝合金FSW焊缝区域显微组织如图10所示。可以看出，热影响区显微组织晶粒较为粗大，在α（Al）基体上分布着时效过程中析出的Mg2Si强化相。热机影响区在搅拌针的剧烈搅拌作用下，塑性铝材料在接近焊核区的小部分区域发生了局部破碎和粘附长大现象，而其他部分的组织发生了较大程度的弯曲变形，并在焊接热循环作用下发生回复和再结晶。焊核区显微组织主要为α（Al）相基体和部分析出的β（Mg2Si）相，焊缝晶粒形态为等轴晶，由于焊缝受到搅拌针的强烈搅拌作用，经历了最高的峰值温度，原始纤维状组织发生回复、再结晶，形成均匀细小的等轴晶粒。

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    fig
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    图10  FSW焊缝区域显微组织

    Fig.10  Microstructure of FSW weld zone

    6082-T6铝合金MIG焊缝区域显微组织如图11所示。可以看出，在靠近熔合线的焊缝一侧，有明显的柱状晶组织，这是由于铝合金结晶温度区间较宽所致；靠近熔合线的热影响区一侧，由于受到焊接过程中的热作用，Mg2Si析出相较多，且在焊接冷却后晶粒比母材粗大一些。焊缝区显微组织主要为α（Al）相基体和部分析出的β（Mg2Si）相，焊缝晶粒形态为等轴树枝晶，由于焊缝各部分的冷却速度不一，焊缝中心最后冷却，焊缝中部冷却较慢为等轴晶粒，晶粒均匀细小。

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    fig
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    图11  MIG焊缝区域显微组织

    Fig.11  Microstructure of MIG weld zone

    2.2 拉伸试验结果及分析

    在室温下对6082-T6铝合金FSW、MIG焊接头进行拉伸试验，结果如表7所示。

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    表7  连接板焊接接头室温拉伸试验结果
    Table 7  Tensile test results of welded joint of connection plate at roomtemperature
    试件号焊接方法

    抗拉强度

    Rm/MPa

    平均值

    /MPa

    		断后伸长率A/%

    平均值

    /%

    		断裂位置
    LJB6-1-1 FSW 276.52 275.67 2.96 4.82 HAZ
    LJB6-1-2 274.81 6.67 HAZ
    MIG6-1-1 MIG 263.47 263.8 2.96 2.59 HAZ
    MIG6-1-2 264.12 2.22 HAZ
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    可以看出，焊态下6082-T6铝合金FSW接头抗拉强度为275.67 MPa、强度系数0.92，MIG焊接头抗拉强度为263.8 MPa，强度系数0.87。MIG焊接头拉伸强度略低于FSW接头，延伸率明显低于FSW接头，但所有对接试件接头的强度系数均大于0.7，两种焊接方法得到的接头均具有良好的拉伸性能。所有拉伸试件的断裂位置均位于热影响区，此处为焊接接头的薄弱区域。

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    如图12所示，对LJB6-1-1和MIG6-1-1两个拉伸试件的断口进行微观形貌分析，整个断口呈纤维状，在边缘和中心区域可见很多不同尺寸的浅韧窝，未见明显夹杂等缺陷，为韧性断裂，试件的拉伸性能较好。

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    fig
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    图12  焊接接头部分拉伸试件断口形貌

    Fig.12  Fracture morphology of partial tensile specimen of welded joint

    2.3 弯曲试验结果及分析

    弯曲试验结果见表8，宏观照片见图13。可以看出，FSW侧弯试件具有良好的弯曲性能，弯曲角为180°，无裂纹。MIG焊侧弯试件不合格，试件均断裂，弯曲性能没有达到相关标准要求。

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    表8  连接板焊接接头弯曲试验结果
    Table 8  Bending test results of welded joints of joint plates
    试样编号焊接方法弯曲方向压头直径/mm弯曲角度/（°）备注
    LJB6-2-1 FSW 侧弯 100 180 合格
    LJB6-2-2 180 合格
    LJB6-2-3 180 合格
    LJB6-2-4 180 合格
    MIG6-2-1 MIG 116 不合格
    MIG6-2-2 110 不合格
    MIG6-2-3 110 不合格
    MIG6-2-4 101 不合格
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    fig
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    图13  连接板焊接接头弯曲试件宏观照片

    Fig.13  Macro photo of bending specimen of welded joint

    部分MIG焊弯曲试件断口的微观形貌如图14所示。可以看出，试件整个断口呈纤维状，在断口的边缘和中心区域，可见很多不同尺寸的浅韧窝，不存在明显的夹杂等缺陷。其弯曲不合格应与焊接电流、电压过大有关，热输入过大导致焊缝内部晶粒偏大，韧性降低。

    transl
     EN

    fig

    图14  MIG焊焊接接头部分弯曲试件断口形貌

    Fig.14  Fracture morphology of partial bending specimen of MIG welding joint

    （a）全貌 　　　　　　　　　　　　（b）中心 　　　　　　　　　　　 （c）边缘

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    2.4 硬度试验结果及分析

    （1）不同区域6082-T6铝合金FSW对接接头的显微硬度如图15所示。

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    fig

    图15  FSW焊对接接头显微硬度

    Fig.15  Microhardness of FSW butt joint

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    可以看出：中心层（距焊缝表面16.5mm）焊核区硬度为79~104 HV，在-18~-6 mm和6~18 mm处出现软化现象，最低硬度为69 HV，母材硬度为107~113 HV；中心偏上区域（距焊缝表面8.5 mm）焊核区显微硬度值为103~110 HV，在-18~-9 mm和9~18 mm处出现软化现象，最低硬度为71 HV，母材硬度为102~110 HV。焊核区的硬度分布近似为均值，焊接接头的硬度与母材相差不大，当达到HAZ时，硬度下降到最低值，然后逐渐增加最终达到与母材等同水平。HAZ出现软化现象的主要原因是：该区域受到搅拌头摩擦和金属相对摩擦产生热量的影响，晶粒比较粗大，硬度降低，使得焊接接头的力学性能下降，成为接头最为薄弱的环节。

    transl
     EN

    （2）不同区域6082-T6铝合金MIG焊对接接头的显微硬度如图16所示。

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     EN

    fig

    图16  MIG焊对接接头显微硬度

    Fig.16  Microhardness of MIG butt welding joint

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    可以看出：中心层（距焊缝表面16.5 mm）焊缝区显微硬度值为92~97 HV，在3~9 mm处出现软化现象，最低硬度为71 HV，母材显微硬度值为111~120 HV。中心偏上区域（距焊缝表面8.5 mm）焊缝区显微硬度值为81~85 HV，在9~14 mm处出现软化现象，最低硬度为72 HV，母材显微硬度值为104~118 HV。焊缝区的硬度分布近似为均值，当达到HAZ时，由于出现软化，硬度下降到最低值，然后逐渐增加最终达到与母材等同水平。产生软化现象的原因是：HAZ在焊接热循环的作用下晶粒有所长大，冷却过程中析出的β（Mg17Al12）相是一种脆性相，且熔点低，形成软化区，导致该区域硬度有所下降。

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    2.5 疲劳试验结果及分析

    疲劳性能是高速列车和城轨车辆的重要指标。试验过程中，每条S-N曲线的测定均按存活率为50%的中值S-N曲线进行。在指定寿命为1×107次数条件下，使用升降法确定各S-N曲线的水平段中值疲劳强度σ0.1。

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    （1）FSW接头疲劳试验结果及分析。

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    在指定寿命为1×107次循环下，采用升降法测得的FSW接头脉动拉伸疲劳试验数据如表7所示。图17为FSW焊接头疲劳极限升降图（图中×表示断裂，○表示未断裂）。可以看到：试验结果具有4个应力水平等级，共有14个有效试件数，5个子样对。在指定寿命为1×107次循环条件下，FSW接头的脉动拉伸中值疲劳极限为：

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    σ0.1=1n∑niSri=145×2+125+135×25=137 MPa
    fig

    图17  FSW焊接头疲劳极限升降图

    Fig.17  Fatigue limit lift diagram of FSW joint

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    表9  FSW接头脉动拉伸疲劳试验结果（R=0.1）
    Table 9  Pulsating tensile fatigue test results of FSW joint
    试件号

    加载频率

    f/Hz

    最大应力

    σmax/MPa

    		断裂时循环数/×107断裂位置
    LJ6-5-1 130 130 1 未断
    LJ6-5-2 130.4 140 1 未断
    LJ6-5-3 130 150 0.350294 母材
    LJ6-5-4 130.3 140 1 未断
    LJ6-5-5 130 150 0.05266 热影响区
    LJ6-5-6 130 140 0.19334 母材
    LJ6-5-7 130.1 130 0.086821 焊核区
    LJ6-5-8 130.2 120 1 未断
    LJ6-5-9 130.1 130 1 未断
    LJ6-5-10 130.1 140 0.37364 母材
    LJ6-5-11 128.9 130 1 未断
    LJ6-5-12 130.4 140 0.78168 热影响区
    LJ6-5-13 130.2 160 0.192334 母材
    LJ6-5-14 130.6 170 0.042679 焊核区
    LJ6-5-15 131 180 0.03146 母材
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    FSW焊接头脉动拉伸疲劳的中值S-N曲线如图18所示，其中，应力循环比R=0.1。

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    fig

    图18  FSW接头S-N曲线

    Fig.18  S-N curve of FSW joint

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    6082-T6连接板FSW焊接头脉动拉伸疲劳部分断裂试件扫描图片如图19所示。可以看出，疲劳裂纹的启裂区和扩展区属于典型的疲劳断裂特征，疲劳纹细腻且清晰，终断区断口形貌可见不同尺寸的深韧窝，断裂试件断口无明显缺陷。

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    fig
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    图19  FSW接头脉动拉伸疲劳断口形貌

    Fig.19  Pulse tensile fatigue fracture morphology of FSW welded joint

    影响FSW接头疲劳性能的主要因素是焊接缺陷以及焊接过程中由于搅拌作用导致的焊缝区域组织不均匀。

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    （2）MIG焊接头疲劳试验结果及分析。

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    在指定寿命为1×107次循环下，采用升降法测得的MIG焊接头脉动拉伸疲劳试验数据如表10所示。6082-T6连接板MIG焊接头疲劳极限升降图如图20所示（图中×表示断裂，○表示未断裂）。可以看到：试验结果有3个应力水平等级，共有13个有效试件数，5个子样对。因此，在指定寿命1×107次循环条件下，由升降法计算的6082-T6连接板MIG焊接头脉动拉伸疲劳试验的中值疲劳极限为：

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    表10  MIG焊接头脉动拉伸疲劳试验结果（R=0.1）
    Table 10  Pulsating tensile fatigue test results of MIG welding joint
    试件号

    加载频率

    f/HZ

    最大应力

    /MPa

    		断裂时循环数/×107

    断裂

    位置

    LJM6-5-1 130.9 110 1 未断
    LJM6-5-2 129.2 120 0.082372 焊缝
    LJM6-5-3 131.3 110 1 未断
    LJM6-5-4 130.5 120 0.76286 焊缝
    LJM6-5-5 131.1 110 1 未断
    LJM6-5-6 131.1 120 0.054201 焊缝
    LJM6-5-7 131.1 110 1 未断
    LJM6-5-8 131.2 120 0.033776 焊缝
    LJM6-5-9 130.9 110 1 未断
    LJM6-5-10 131.1 120 1 未断
    LJM6-5-11 130.6 130 0.12855 焊缝
    LJM6-5-12 131.2 140 0.055068 焊缝
    LJM6-5-13 131.3 150 0.062458 焊缝
    LJM6-5-14 131.1 160 0.013017 焊缝
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    fig

    图20  MIG焊接头疲劳极限升降图

    Fig.20  Fatigue limit lift diagram of FSW joint

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    σ0.1=1n∑niSri=115×4+1255=117 MPa

    MIG焊接头脉动拉伸疲劳的中值S-N曲线如图21所示。MIG焊脉动拉伸疲劳部分断裂试件扫描图片如图22所示。可以看到有气孔缺陷存在，气孔引起应力集中，疲劳裂纹在气孔附近产生。断裂试件疲劳裂纹的启裂区和启裂扩展区具有典型的疲劳断裂特征，疲劳纹细腻清晰，终断区的断口形貌均为不同尺寸的深韧窝。

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    fig

    图21  MIG焊接头S-N曲线

    Fig.21  S-N curve of MIG welding joint of connection plate

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    fig
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    图22  MIG焊接头脉动拉伸疲劳断口形貌

    Fig.22  Pulse tensile fatigue fracture morphology of MIG welded joint

    （3）连接板焊接接头疲劳性能对比。

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    图23是连接板焊接接头疲劳（应力循环比R=0.1）的中值S-N曲线的对比，可以看出：脉动拉伸疲劳试验确定的指定寿命为1×107次的中值疲劳极限σ0.1：FSW接头的中值疲劳极限为137 MPa，MIG接头的中值疲劳极限为117 MPa。MIG接头的疲劳性能较FSW接头有所降低，其原因与MIG焊焊缝中存在气孔等缺陷，导致应力集中，造成疲劳性能下降。

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    图23  连接板焊接接头S-N曲线对比

    Fig.23  S-N curve comparison diagram of connect on plate welded joints

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    3 结论

    （1）6082-T6铝合金FSW和MIG的接头抗拉强度分别为275.67 MPa、263.8 MPa，其焊接接头强度系数分别为0.92和0.87。MIG焊接头的抗拉强度相对较低，但所有对接试件接头的强度系数均大于0.7，表明两种焊接方法得到的接头均具有良好的拉伸性能。

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    （2）6082-T6铝合金连接板FSW接头具有良好的弯曲性能，侧弯180°均合格。MIG焊接头弯曲性能较差，侧弯试件在110°左右时有裂纹出现，弯曲不合格。

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    （3）6082-T6铝合金FSW接头的硬度分布近似W形，中心层焊核区显微硬度值大约在79~104 HV，在-18~-6 mm和6~18 mm处产生软化现象，最低硬度为69 HV；6082-T6铝合金MIG焊接头的中心层焊缝区显微硬度值约为92~97 HV，在3~9 mm处出现软化现象，最低硬度为71 HV。

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    （4）6082-T6连接板FSW接头的中值疲劳极限为137 MPa，MIG焊接头的疲劳性能较FSW接头有所降低，为117 MPa。其原因与MIG焊焊缝中存在气孔等缺陷有关。

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    综上所述，6082-T6连接板更适合采用搅拌摩擦焊进行焊接生产。

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    Guizhou Aerospace Tianma Electromechanical Technology Co., Ltd.
    Jiangxi Key Laboratory of Forming and Joining Technology for Aerospace Components, Nanchang Hangkong University
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