AA6082-T6铝合金的力学性能研究和氩弧焊与摩擦搅拌焊工艺的实验比较
K.Anganan 1, J.Ganesh Murali 2, M. Muthu Krishnan 3, K.Marimuthu4
1. 副教授, 泰米尔纳得工学院, 哥印拜陀市
2. 教授和汽车系主任，Karpagam工程与技术学院, 哥印拜陀市
3. 研究员, 哥印拜陀理工学院, 哥印拜陀市
4. 副教授，哥印拜陀理工学院, 哥印拜陀市
摘要：本文研究了AA-6082-T6铝合金的摩擦搅拌焊接（FSW）和常规金属惰性气体保护焊（MIG）的焊接接头的机械性能。 FSW焊缝在摩擦搅拌焊接机上进行。使用拉伸，金相法和硬度鉴定测试摩擦搅拌焊和氩弧焊的焊接接头的性能。采用焊接过程中的变形评估FSW和MIG工艺获得的接头。考虑到工艺条件和要求，为了研究Al合金的焊接应用，相互比较了FSW和MIG工艺的优点和缺点。FSW焊接接头能获得更好的拉伸强度。FSW热影响区宽度比MIG焊接接头窄。结果表明FSW能提高焊接接头的机械性能。
关键词：摩擦搅拌焊接，MIG焊接，铝合金，机械性能
一、前言
摩擦搅拌焊接（FSW）是一种新的固态焊接方法，由The Welding Institute（TWI）于1991年开发，用于黑色金属和有色金属材料[1]。通过材料在低于熔点的温度下的过度变形形成焊缝，因此该方法是固态连接技术。因为材料无需熔化，所以FSW比常用的融合焊接技术多出几个优点。 例如，在焊接区域不会出现孔隙或开裂，不会出现明显变形的工件（特别是在薄板），并且在准备连接的过程中无需填充材料，保护气体和昂贵的焊接。连接过程可重复可监控，并且不产生重大的安全危害，如烟雾或辐射。 FSW过程可以用常规铣床实现[2]。 FSW工具通常由成型销制成，其被包含在具有大于的直径的肩部中,如图1所示。工具由耐磨材料制造在高温下具有良好静态和动态的性能。经过精确设计的工具允许以高达1000 m的焊缝在3 mm厚度的铝挤压件下生产。该工具成形有一个大直径肩部和小直径成型销，在它被插入接头区域中时接触。待焊接的板被刚性地固定以防止接合面在探针沿着缝通过时被迫分开 [3]。对于厚板焊接，通常为其直径小于成型销直径的轴在开始时以辅助工具的插入来钻孔。由于工具的组合效果，FSW产生不同微结构区域（图2）：在中心的金块焊接处已经通过[5]，其肩部接触区在顶部表面，而热机械影响区（TMAZ）在熔核的每一侧上，热影响区（HAZ）相邻的TMAZ无机械剪切地经历热循环。在工具的肩部下方的成型销其穿透深度由长度控制。最初的插入，通过摩擦接触加热周围的相邻金属探针以及在其下面的小的材料区域探头，但是肩部和材料之间的摩擦界面对焊缝产生显着的额外热量区域[6]。除了产生热量，肩膀的工具还防止高度塑化的材料从焊接区域排出。
图1. FSW 示意图 图2. FSW接头的横截面
热软化和热影响区占据对应于整个工具几何形状的A区部分。热影响区在顶面较宽，在朝
向工具的尖端时逐渐变小。来自成型销和肩部的摩擦结合热围绕在浸没的探头而产生高度塑
化的条件[7]。在旋转工具沿着接头移动时这种塑化材料提供静水效应，且有助于塑化材料
绕工具流动。当工具沿着焊接线移动时合并在工具后。对于对接过程，如果焊接是从一侧往
另一侧进行销的长度近似于一个焊接完成的工件厚度。 FSW的主要应用是在生产中铝合金
板的长直焊缝，挤出铝型材和定制坯料。轻量级铝合金广泛应用于各种航天和运输应用中。
用FSW获得的部分与机械焊接相比，减少高达30％的相关成本，且重量减少10％。
在这项研究中，对金属惰性气体（MIG）摩擦搅拌焊接工艺进行实验来比较，并使用从
中获得的实验结果来评估AA6082-T6铝合金焊接接头的机械测试。
二、实验研究
在本研究中使用的材料是可商购的AA6082-T6（AlMg1SiCu）铝合金。焊接板的长度为100mm，宽度为50mm，并且3mm厚度。 标称组成和机械性能在表1中给出。使用摩擦搅拌焊机进行FSW接头（图3）。
表1. AA6082-T6板的标称组成
|
硬度 （HV） |
极限抗拉强度 （Mpa） |
产量强度 （Mpa） |
伸长率 （%） |
|
100 |
310 |
220 |
11 |
表.2 AA6082-T6的机械性能
|
元素组成 |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Zn |
Ti |
Al |
|
百分比 (%) |
0.59 |
0.5 |
0.2 |
0.15 |
0.8 |
0.2 |
0.1 |
Bal |
为了执行摩擦搅拌焊接操作，双带设计尺寸为300times;150times;14mm的夹具（图4）。工具台肩的直径为16 mm和高度的为3mm和2.8mm的插销， 分别如图5所示。使用的工具无倾斜角。部件以恒定的焊接速度60mm / min连接。最佳焊接速度取决于几个因素：合金类型，穿透深度和最重要的接头类型，因此速度必须确定，且单独为每个新的零件焊接。工具逆时针旋转以迫使软化的材料朝向焊缝的根部，并在根部获得完整的焊缝焊接。将对接板夹在钢背衬上的盘子。旋转工具固定在FSW的机器主轴上且不使用倾斜角。在FSW过程中，
首先，工件的表面与旋转FSW工具的肩部接触和插入后停止。在这个阶段，产生所需的预摩擦加热，旋转工具的肩部与表面摩擦工件保持在初始位置60秒。然后旋转工具沿着接头移动线。通常，FSW的表面外观是规则的圆形波纹，指向开始焊接的部分。另一组Al合金板使用对接焊接MIG过程。在MIG之前先用刮刀程序和丙酮清洗焊接板。在MIG焊接工艺中，使用MIG-350型焊接机，用于焊接板的参数为240plusmn;A（电流）和24plusmn;1V（电压）。填料为1.2mm A 4145焊接速度为110mm /分钟，然后执行MIG焊接。在MIG过程中，通过流量为18的氩气来提供屏蔽。
图3摩擦搅拌焊接机 图5 FSW中使用的圆柱销工具
图4 FSW机焊接夹具 图6 MIG焊接设置
评价和比较MIG和FSW工艺获得的宏观接头的机械性能，用拉伸实验和维氏硬度测试在焊接上进行观察。 还比较了MIG和FSW工艺伴随焊缝的变形，相对成本和焊接速度。 拉伸试样的尺寸根据EN895中给出的尺寸进行加工。FSW焊接的焊接板试样在焊缝的横向上进行MIG工艺线。
三、结果与讨论
A、光学金相
MIG和FSW焊接接头的宏观图和AA6061-T6（AlMg1SiCu）铝合金在图3中. FSW和MIG焊接的焊接接头分别如图9a和9b所示。 粗糙的FSW焊缝类似于通过铣削处理获得的表面。 MIG焊接的表面类似于铸件结构，且具有较粗糙的表面。 在研究文献的报道中FSW的微观结构是精制的结构，而MIG焊缝具有铸造结构。在FSW中，热源位于旋转工具台肩和待焊接的材料两者之间的界面处。 焊缝结构上FSW工艺的搅拌效果更加精细微观。 另一方面，在MIG焊接工艺中，获得较粗的柱状晶体结构。通过搅拌效果和精细结构提高FSW接头的机械性能。尺寸的焊接拉伸试样如图8所示。
图7 FSW关节宏观图（8X）
图8拉伸试样的尺寸
图9a FSW接头
图9b MIG接头
表2. 拉伸试验中获得的材料性能
|
样品类型 |
材料 |
0.2% 产量强度 |
极限抗拉强度 |
% 伸长率 |
|
基础金属 |
AA6082-T6 |
306 |
342 |
17 |
|
FS焊接 |
AA6082-T6 |
158 |
241 |
5.5 |
|
MIG焊接 |
AA6082-T6 |
156 |
221 |
4 |
图10a拉伸试验FSW样品的失效
b AA6082-T6的MIG样品
B、拉力试验
由焊接板加工的拉伸试样不是在焊接区处而是在热影响区处断裂，FSW和MIG焊接试样如图10a所示和图10b。表2给出了材料拉伸试验得到的性能。正如预期的一样，拉伸试样断裂接近焊缝中心并且总是倾斜于刀具的外边缘肩部，且已经接触到顶部。 AA6082-T6 MIG焊接试样的屈服应力为基底的51％和极限抗拉强度为基座的65％。 FSW的拉伸强度低于BM
高于MIG焊接试样。所有摩擦搅拌焊接试样（5.5％）的伸长率为25％的基材，但高于MIG焊接标本。这种强度的改善可以解释用FSW方法获得的结构。
C、微硬度测试
硬度分布可以帮助解释焊接的微观结构和机械性能。进行以维氏硬度为表征的显微硬度测试，剖面在焊接区域附近。在样品中间进行厚度测量采用500g/10s。一般硬度取决于对沉淀分布而不是晶粒尺寸。原因可能是在FS焊接期间沉淀物的溶解导致搅拌区中的低硬度。
图11 FSW和MIG焊接试样的表面硬度分布
FSW和MIG焊接接头的表面硬度分布如图11所示，表示硬度降低的区域垂直于焊缝线，
FSW比MIG焊缝窄。从这个结果，可看到FSW的热影响区MIG焊接接头的狭窄。考虑到FSW工具为16 mm直径，MIG接头的硬度降低区域更宽，因为有更高的热输入。硬度降低区域FSW和MIG的差距可以解释为FSW焊接的焊接温度约为480℃，低于MIG工艺[11] [12]。
用FSW和MIG获得接头的过程也被评价为伴随着焊接过程的失效情况。FSW过程中出现的失效情况远远低于MIG过程。在FSW工艺中产生较低的热输入，与MIG工艺相比有更好的尺寸精度和更低的失效情况可能。 MIG焊接接头由于热量的增加而产生的更大的变形输入。
FSW焊接可以通过普通铣削完成运算。另一方面，MIG焊接必须通过MIG焊接操作员的认证。FSW过程得到较高的性能，和生产速率与质量以及降低生产成本，MIG焊接工艺需要一个合格的焊工，但具有铣削的基本技能普通铣削操作员就足以在铣床上利用FSW加入板材。
四、结论
AA6082-T6都能利用FSW和MIG技术成功焊接。与MIG相比，FSW具有更高的拉伸强度。在MIG过程中产生更高的热强度对焊接材料的机械性能有负面影响。焊接材料硬度的变化受在焊接过程中输入的热量影响。FSW热影响区域比MIG过程窄。
参考文献 （略）
用数学建模分析合金元素对6082铝合金的物理和机械性能的影响
Nicoleta Bularda, Francisc Weber and Eugen Crisan
（波利蒂尼卡蒂米什瓦拉大学,工程和管理系,5 Revolutiei 街, 331128 胡内多阿拉，罗马尼亚）
摘要：本文介绍了屈服和拉伸强度与硅含量之间的多重关系，含有锰和镁元素的6082铝合金用于制造道路车辆的轮辋。制造合金轮辋的关键是合金的质量和制造技术，在铸造轮辋的情况下，其质量取决于铸造技术。逐渐地，合金轮毂的铸造生产被塑性
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