智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线

[连接技术] 6063铝合金电池盒下壳体搅拌摩擦焊工艺试验研究

汽车新材料新工艺 汽车新材料新工艺 114 人阅读 | 0 人回复

发表于 2020-6-8 14:54:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
【汽车材料网】6063铝合金电池盒下壳体搅拌摩擦焊工艺试验研究

韩振宇,朱 俊,赵北明,孙后青 (凌云工业股份有限公司 上海凌云汽车研发分公司,上海 201708)
摘要:试验研究了在较高的焊接速度和搅拌头的旋转速度下,6063铝合金电池盒下壳体焊接接头的力学性能和金相组织。结果表明,在高焊接速度和高旋转速度的搭配下得到的焊接接头强度可以达到母材强度的70%以上,但是部分情况下其伸长率低于母材的。焊接速度和旋转速度的改变对焊接接头强度的影响较小,但是对伸长率的影响较大。焊接速度为800 mm/min时,旋转速度设置到1 500 r/min以上可得到晶粒分明的组织,旋转速度增大会增大晶粒尺寸;搅拌头的旋转速度为1 500 r/min时,焊接速度的增加会逐渐使接头的晶界不清晰;若提升焊接速度的同时也提升旋转速度,则又可得到晶界分明的组织。
关键词:6063铝合金;电池盒下壳体;搅拌摩擦焊;焊接速度;旋转速度;力学性能;金相组织

由于全球石油价格不稳定以及对汽车尾气排放越来越严苛的限制,新能源车逐渐成为各大汽车厂商的新选择,我国政府也早将新能源车列入战略性产业[1],并对新能源车提供优惠政策。轻量化是新能源车的重点发展方向,在此基础上催生了不少轻量化材料和连接工艺的应用[2],铝合金材料加上搅拌摩擦焊便成为新能源车的电池盒下壳体的重要制造工序之一。

搅拌摩擦焊此前大多应用于航空航天工业中,在汽车行业中的应用范围较窄,虽然栾国红[3]论述过搅拌摩擦焊应用于汽车行业的优越性,且世界上对于搅拌摩擦焊焊接工艺的基础性研究也从未停止过[4-6],但是翻阅他们的研究课题不难发现,其搅拌摩擦焊的焊接速度大多在400 mm/min以下,而搅拌头的旋转速度大多在1 200 r/min以下[7-8]。任何工艺应用于汽车行业除了要保证工艺的一致性外还要保证经济性与效率[9],否则很难满足动辄上万的整车月出货量。本试验研究在较高的焊接速度和搅拌头的旋转速度情况下焊接6063铝合金的工艺方案的可行性,以及提高焊接速度和搅拌头的旋转速度对焊接接头力学性能和金相组织的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为壁厚2 mm的6063-T6铝合金型材,其化学成分见表1。其抗拉强度为220 N/mm2~248 N/mm2,屈服强度为170 N/mm2~210 N/mm2,伸长率为6%以上。试验采用的搅拌头为锥形右旋螺纹搅拌头,轴肩尺寸为10 mm,搅拌头长度为1.85 mm,搅拌头根部直径为4 mm,头部直径为2.5 mm,焊接时搅拌头倾斜角度为3°,逆时针旋转。

表1 6063-T6铝合金型材化学成分(质量分数/%)

Table 1 Chemical compositions of 6063-T6 aluminum alloy(wt/%)


试验方法:在其他焊接参数不变的情况下,将搅拌头的旋转速度分别设定为:1 500 r/min、1 800 r/min及2 000 r/min,逐步提高焊接速度至800 mm/min、1 000 mm/min、1 200 mm/min及1 400 mm/min。在此基础上焊接得到12组样品,从每种参数搭配的焊接样品中切取6片拉伸样品和1片金相样品,对样品进行拉伸试验和金相检测,拉伸试验结果数据取6片样品的平均值。

2 试验结果与分析2.1 不同焊接参数下的力学性能检测结果

为了更直观的研究焊接速度和旋转速度对焊接接头力学性能的影响,将12组焊接样品的力学性能结果分为两种方式来进行统计,即图1为固定焊接速度,在提升搅拌头的旋转速度的情况下看力学性能的变化。图2为固定搅拌头的旋转速度,在提升焊接速度的情况下看力学性能的变化。

图1a可以反应焊接速度800 mm/min情况下提升旋转速度时的力学性能变化趋势。从图1a可以看出,在旋转速度增加的情况下,焊缝接头的屈服强度和抗拉强度都略有降低,但是断后伸长率呈上升趋势;从图1b焊接速度为1 000 mm/min时不同旋转速度情况下的力学性能变化可以看出,在旋转速度提升到1 800 r/min时,其抗拉强度、屈服强度和伸长率略有下降,而旋转速度从1 800 r/min提升到2 000 r/min时强度和伸长率又显著上升了;从图1c焊接速度为1 200 mm/min时不同旋转速度情况下的力学性能变化可见,其强度的变化趋势与图1b的基本一致,而断后伸长率一直呈上升趋势;从图1d是焊接速度为1 400 mm/min时的力学性能变化可以看到,在旋转速度增加的情况下,其屈服强度和抗拉强度都略微下降,伸长率是呈上升趋势。值得注意的是在焊接速度为1 400 mm/min时,焊接接头的伸长率最低,约为3%,是所有样品组中的最低值。

图2a是搅拌头的旋转速度为1 500 r/min情况下提升焊接速度时焊接接头力学性能的变化曲线。从图2a可以看到,随着焊接速度的提升,焊接接头的抗拉强度略微减小,屈服强度基本呈现上升状态,而伸长率在焊接速度提升到1 000 mm/min之后呈现明显下降趋势。图2b是旋转速度为1 800 r/min情况下接头力学性能的变化趋势。从图2b可以看出,在焊接速度提升的情况下焊接接头的屈服强度和抗拉强度基本呈同步上升的状态,而伸长率整体表现出下降的状态。图2c旋转速度2 000 r/min情况下接头力学性能的变化趋势与图2b的类似。

综合分析图1 和图2中各组样品力学性能的变化,可以得到以下结果:

1)在将焊接速度设置到800 mm/min~1 400 mm/min,将旋转速度设置到1 500 r/min~2 000 r/min时,在各参数搭配下得到的接头强度都能达到母材强度的70%,但是部分参数下接头的伸长率低于母材的。

图1 焊接速度v一定时焊接接头的力学性能随搅

拌头的旋转速度的变化曲线

Fig.1 The variation of mechanical properties with the rotation

speed when the welding speed v of the joint is constant


2)焊接速度一定时,逐步提升搅拌头的转速,焊接接头的强度随具体参数的不同其变化幅度不大,但是接头的塑性会有明显的提升。

图2 搅拌头旋转速度u一定时焊接接头的

力学性能随焊接速度的变化曲线

Fig.2 The variation of mechanical properties with welding

speed when the rotation speed u of the stirring head

is constant


3)搅拌头旋转速度一定的情况下,焊接速度在800 mm/min~1 400 mm/min内逐步提升,会稍微提高接头的强度,但是也会明显降低焊接接头的伸长率。

2.2 金相组织分析

2.2.1 宏观金相组织

图3是焊接速度为800 mm/min,旋转速度为1 500 r/min时,焊接接头的宏观图片。

图3 搅拌摩擦焊焊接速度为800 mm/min,

旋转速度为1 500 r/min时焊接接头宏观组织

Fig.3 Macro structure of the welded joint

at the welding speed of 800 mm/min and

rotation speed of 1500 r/min


图3中用黑色线条描绘出焊缝截面的各个部位:焊核区(NZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)、母材区(BM)。其中,“碗形”区域内部为焊核区,该区是在搅拌摩擦焊焊接过程中在剧烈的塑性变形和摩擦热的作用下发生动态再结晶而形成的,因此这个区域也被称为动态再结晶区;热机影响区位于焊核区和热影响区之间,该区域同时受到塑性变形和热循环的作用;热影响区是热机影响区外面的一部分,热影响区只受到热循环作用,没有受到机械作用,相对于熔焊,搅拌摩擦焊的热影响区要小很多。

从图3中可以看出,焊接接头成形良好,未出现孔洞、沟槽、隧道等缺陷。其他11组宏观图片中均未发现明显焊接缺陷。

2.2.2 微观金相组织

图4是焊接速度为800 mm/min,旋转速度为1 500 r/min时焊接接头的微观金相照片。

图4中可以明显分辨出焊接接头的不同区域:图片左上角的母材区为6063铝合金固溶时效后的组织,其晶粒分布均匀,晶粒大小从30 μm至80 μm不等;右下角为焊核区,该区域内是再结晶之后的细小等轴晶组织,晶粒大小约为5 μm至10 μm;母材区和焊核区中间是热机影响区和热影响区,热机影响区的晶粒受到搅拌头的作用而被拉长弯曲变形,同时又在热力作用下发生回复,在变形晶粒内部形成细小的再结晶晶粒。热机影响区外部为热影响区,由于热影响区只受到热循环的作用,晶粒受热而长大,图4中热影响区晶粒的大小约为100 μm左右。

图4 搅拌摩擦焊焊接速度为800 mm/min、旋转

速度为1 500 r/min焊接接头微观组织

Fig.4 Microstructure of the welded joint at the welding

speed of 800 mm/min and rotation speed of 1 500 r/min


图5是不同焊接参数下焊核区的金相组织照片,该组图片是对12组不同焊接参数下的焊接接头样品使用相同的磨抛工艺,再经过同种混合酸腐蚀液腐蚀2 min后,用金相显微镜在相同倍率下拍摄的。

从图5可以看出,不同焊接参数下焊核区的金相组织具有一定的区分度。焊接速度为800 mm/min的3张图片中晶粒晶界分明,但是晶粒的尺寸明显随着搅拌头旋转速度的增加而增加,旋转速度为1 500 r/min时经统计的平均晶粒尺寸为5.2 μm,而旋转速度增加到2 000 r/min时平均晶粒尺寸增加到了7.7 μm,这是由于在焊接速度不变的情况下随着旋转速度的增加,再结晶晶粒在单位长度内热输入增加,促成晶粒长大。从旋转速度为1 500 r/min的4张图片中可以看出,焊接速度为800 mm/min和1 000 mm/min时焊核区的晶粒晶界分明,但是继续提升焊接速度后晶粒的分界逐渐变得模糊,尤其是在焊接速度提升至1 400 mm/min时已经很难分辨出晶界,这是由于在提升了焊速的时候再结晶晶粒受热不足,导致晶界来不及成形,若同步提升搅拌头旋转速度,则又能得到晶界分明的组织。

3 结 论

1)对于6063铝合金型材的搅拌摩擦焊,在高的焊接速度和高旋转速度的搭配下得到的焊接接头强度可以达到母材强度的70%以上,但是部分参数搭配下接头的伸长率低于母材的。

图5 不同焊接参数下的焊接接头焊核区金相图片

Fig.5 WNZ Microstructure of welded joints under different welding parameters


2)在焊接速度一定的情况下,随着搅拌头的旋转速度提升,焊接接头的强度变化幅度不大,而接头的塑性会有明显的提升。 而在搅拌头旋转速度一定的情况下,逐步提升焊接速度,会略微提高焊接接头的强度,但是会明显降低焊接接头的塑性。

3)不同的搅拌头旋转速度和焊接速度的搭配导致焊接接头的热量分布不同,从而影响接头焊核区的显微组织。焊接速度为800 mm/min时,旋转速度设置到1 500 r/min以上,可得到晶界分明的组织,但是继续增大旋转速度得到的组织晶粒尺寸也会变大;当旋转速度为1 500 r/min时,焊接速度的增加会逐渐得到的晶界不分明的组织,若在提升旋转速度的时同步提升焊接速度,则又可得到晶界分明的组织。



车身新材料
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

VIP会员服务