Al-Li合金攪拌摩擦焊搭接接頭的疲勞性能

張丹丹 曲文卿

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191)

楊模聰

(上海飛機(jī)制造廠，上海200436)

柴 鵬

(北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心，北京100024)

攪拌摩擦焊(FSW，F(xiàn)riction Stir Welding)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌探頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量，使被焊材料局部塑化的新型固相連接工藝，尤其適用于連接常規(guī)熔焊工藝難于連接的航空航天用鋁鋰合金材料，可避免合金元素的燒損、氣孔及凝固裂紋的產(chǎn)生，同時能提高接頭的力學(xué)性能，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低制造成本［1-4］.FSW 過程節(jié)能環(huán)保、易于控制，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域具有明顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢.

在航空航天結(jié)構(gòu)中，“工”形、“Z”形和“L”形搭接結(jié)構(gòu)非常普遍，采用FSW搭接技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接，具有減重和提高結(jié)構(gòu)整體性能的優(yōu)勢［5-6］.在FSW搭接結(jié)構(gòu)中，抗疲勞斷裂特性是評定結(jié)構(gòu)件使用性能最重要指標(biāo)之一，深入研究各種工藝參數(shù)、焊接缺陷、組織結(jié)構(gòu)等因素對接頭疲勞性能的影響，將為航空航天制造領(lǐng)域推廣和應(yīng)用FSW技術(shù)、建立合理有效的疲勞評定規(guī)范提供重要的依據(jù)［7-10］.

國外研究表明，F(xiàn)SW搭接接頭性能不低于鉚接，且界面成形對接頭力學(xué)性能十分重要.研究認(rèn)為搭接接頭界面區(qū)域存在兩個類似裂紋的缺陷，被Brent Christner等人定義為界面畸變(hooking)和減薄(thinning)，這些缺陷均是微裂紋或微孔洞的富集帶，會導(dǎo)致搭接接頭連接界面的減小，從而降低接頭的強(qiáng)度和壽命.Raj Talwar等人通過對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的失效評定認(rèn)為，F(xiàn)SW搭接結(jié)構(gòu)疲勞失效位置25%出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)界面畸變位置，75%在后退側(cè)減薄位置出現(xiàn)裂紋［11］.本文針對 2 mm厚的Al-Li合金攪拌摩擦焊搭接接頭進(jìn)行疲勞試驗，繪制母材與接頭的疲勞S-N曲線，分析界面成形缺陷對其疲勞性能的影響.

1 試驗方法和材料

攪拌摩擦焊選用2 mm厚2099和Al-Li-S4鋁鋰合金軋制板材作為母材，采用焊機(jī)FSW2-4CX-006焊接獲得“Z”型搭接接頭，如圖1所示.

圖1 “Z”型搭接結(jié)構(gòu)示意圖

FSW攪拌頭采用直徑10 mm的雙圓環(huán)軸肩和直徑3.4 mm的圓錐形攪拌針，焊接工藝參數(shù)中旋轉(zhuǎn)速度為800 r/m，焊速為200 mm/min，采用長度為2.8 mm和2.5 mm攪拌針進(jìn)行焊接，分別得到搭接接頭1和搭接接頭2.母材Al-Li-S4的化學(xué)成分見表1.

表1 Al-Li-S4鋁鋰合金母材的化學(xué)成分

焊后沿垂直焊縫的方向截取試樣，經(jīng)打磨拋光后利用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織.拉伸試驗選用標(biāo)準(zhǔn)中板形試樣，試樣寬度為30 mm，總長為190 mm，標(biāo)距為70 mm，采用WDW3050型試驗機(jī)進(jìn)行拉伸.疲勞試驗按照航標(biāo)HB5287-96《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》在GZ-100C型高頻疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，正弦波形，振頻100Hz，應(yīng)力比R=0.1.疲勞試樣如圖2所示，試樣中部為焊縫，兩側(cè)受到疲勞拉伸循環(huán)應(yīng)力作用.另外采用JSM-5800掃描電鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)觀察試樣的疲勞斷口形貌，分析斷裂位置.力學(xué)性能試驗中每組試樣5個，取平均值.

圖2 疲勞試樣

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

如圖3搭接接頭的宏觀形貌所示，攪拌針長度極大影響塑性材料的流動和熱輸入量，最終形成不同的焊核區(qū)形態(tài).當(dāng)攪拌針長度為2.8 mm時，焊核區(qū)塑性材料從前進(jìn)側(cè)流動到后退側(cè)出現(xiàn)堆積(圖3a).當(dāng)攪拌針長度為2.5 mm時，塑性材料流動較均勻，在搭接界面位置形成典型的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)(圖3b).另外，在兩種搭接接頭的后退側(cè)都形成“冷搭接缺陷”，這是由于后退側(cè)的界面金屬存在兩個方向的流動，兩個方向的材料在流動過程中出現(xiàn)交叉混合，材料順著攪拌針向著焊縫內(nèi)部流動，就會出現(xiàn)搭接界面平移的現(xiàn)象［6］.

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，搭接接頭1前進(jìn)側(cè)搭接界面向下部 Al-Li-S4母材彎曲，在熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ，Thermal-Mechanically Affected Zone)出現(xiàn)“鉤狀缺陷”.同時在鉤狀尖端還發(fā)現(xiàn)3個不同方向的裂紋擴(kuò)展，容易引起應(yīng)力集中，在受到疲勞載荷時，應(yīng)力集中區(qū)會發(fā)生微區(qū)循環(huán)塑性變形，并受到周圍彈性區(qū)的約束，這種局部塑性循環(huán)區(qū)會導(dǎo)致疲勞裂紋的擴(kuò)展，影響接頭的疲勞壽命.另外，鉤狀缺陷使原始搭接界面深入到下部母材當(dāng)中，令接頭受拉承載的有效板厚減少，降低接頭的力學(xué)性能(如圖4a).通過圖4b觀察看出，當(dāng)攪拌針長度變?yōu)?.5mm時，前進(jìn)側(cè)鉤狀缺陷的形狀尺寸較接頭1有了明顯改善，即原始搭接界面沿90°方向擴(kuò)展約0.05 mm，鉤狀尖端無裂紋擴(kuò)展.已有研究表明:鉤狀缺陷是由塑性金屬在垂直方向上流動所造成的界面畸變，常常出現(xiàn)在搭接接頭中，與所選焊接工藝參數(shù)、攪拌頭形狀尺寸等因素有關(guān)［12］.

圖3 FSW搭接接頭的宏觀形貌

a 搭接接頭1

通過測試搭接接頭2的顯微硬度發(fā)現(xiàn)(如圖5):焊核區(qū)的硬度低于 HAZ，僅為母材硬度的70%～80%，且前進(jìn)側(cè) TMAZ硬度最低，說明TMAZ的鉤狀缺陷會降低接頭硬度.另外由于TMAZ受到不平衡的熱機(jī)作用，存在較大的殘余應(yīng)力、晶粒變形與粗大以及不均勻分布的析出相，且前進(jìn)側(cè)受到的剪切應(yīng)力與組織變形程度均高于后退側(cè)，因此前進(jìn)側(cè)的TMAZ硬度最低.

圖4 搭接接頭前進(jìn)側(cè)TMAZ的“鉤狀”缺陷

圖5 FSW搭接接頭2顯微硬度

接頭不同區(qū)域的硬度值變化，與不同的晶粒尺寸、析出強(qiáng)化相以及組織狀態(tài)等因素有關(guān)，焊核區(qū)再結(jié)晶晶粒雖然較HAZ細(xì)化，但由于直接受到攪拌針的攪拌摩擦作用，峰值溫度最高，沉淀相粒子將發(fā)生固溶、析出過程，影響焊核區(qū)硬度.

綜上所述，采用不同長度的攪拌針帶來不同的焊核區(qū)形態(tài)，也影響接頭的界面成形性能.典型的界面缺陷——鉤狀缺陷的形狀尺寸與攪拌針的長度有關(guān)，若攪拌針長度不適宜，容易導(dǎo)致金屬材料流動不均勻，使TMAZ出現(xiàn)鉤狀缺陷，引起應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展，降低接頭的力學(xué)性能.另外，選擇良好的焊接工藝參數(shù)是獲得良好接頭疲勞性能的前提.其中，不同的焊接工藝參數(shù)決定了不同的熱輸入量，這就在很大程度上決定了焊接過程中的冶金轉(zhuǎn)變，如增溶作用、二次析出和沉淀相長大等，同時決定焊縫組織的強(qiáng)度，從而影響接頭的疲勞性能.

2.2 搭接接頭的疲勞試驗

表2給出了Al-Li-S4母材及兩種搭接接頭的靜力拉伸性能，在拉伸過程中，搭接接頭的塑性變形能力較弱，屈服階段不明顯，接頭的延伸率低，最高僅達(dá)到母材的24%.究其原因，主要是由于搭接接頭前進(jìn)側(cè)存在“鉤狀缺陷”，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生及擴(kuò)展，同時減小了焊接板的有效承載厚度.而后退側(cè)的“冷搭接缺陷”則會嚴(yán)重影響搭接接頭的有效搭接寬度，使得搭接界面的承載面積減小，最終降低接頭的力學(xué)性能.

另外，通過對比可以看出，攪拌針長度對搭接接頭的拉伸力學(xué)性能有明顯影響，搭接接頭2的強(qiáng)度及延伸率較接頭1分別提高了18%和16%，抗拉強(qiáng)度為467 MPa，達(dá)到母材的94%.

表2 母材與搭接接頭拉伸性能

如圖6所示，疲勞試驗對比了不同搭接接頭與Al-Li-S4母材在3個不同疲勞應(yīng)力(即疲勞循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力)水平下的疲勞壽命.搭接接頭1在較低的疲勞應(yīng)力200 MPa條件下，疲勞壽命不超過2萬次，說明搭接接頭1的疲勞性能很差.當(dāng)攪拌針長度改為2.5 mm時，搭接接頭2的疲勞壽命有了明顯提高，在280 MPa疲勞應(yīng)力下，接頭疲勞壽命達(dá)到6.2萬次;但在200 MPa疲勞應(yīng)力下，母材達(dá)到200萬次未斷，而接頭2疲勞壽命僅為15萬次.

圖6 母材與搭接接頭疲勞性能對比

圖7建立了搭接接頭2與Al-Li-S4母材的疲勞S-N曲線，分析可知:搭接接頭在高疲勞應(yīng)力水平下，疲勞壽命接近母材，但隨著疲勞應(yīng)力水平降低，接頭疲勞壽命急劇下降，200萬循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度為80 MPa，僅是母材的35%.

圖7 母材與搭接接頭疲勞S-N曲線

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，一個含有初始裂紋(長度為a0)的構(gòu)件，當(dāng)承受靜載時，只有當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到臨界應(yīng)力σc時才會發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展.但如果構(gòu)件承受疲勞循環(huán)應(yīng)力作用時，初始裂紋一開始就會發(fā)生緩慢擴(kuò)展，當(dāng)裂紋長度達(dá)到臨界裂紋長度ac時，構(gòu)件就會發(fā)生破壞.故在高周疲勞范圍，應(yīng)力集中即TMAZ鉤狀缺陷位置，對于裂紋的萌生和擴(kuò)展起決定性的影響，是發(fā)生疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)，控制結(jié)構(gòu)的疲勞壽命.

2.3 疲勞斷口形貌

圖8a和圖8b分析認(rèn)為，搭接接頭1疲勞斷裂是從前進(jìn)側(cè)的“鉤狀缺陷”起裂，疲勞源呈現(xiàn)線源特征，說明鉤狀尖端的裂紋引起缺口效應(yīng)，導(dǎo)致局部塑性應(yīng)變集中，引發(fā)疲勞裂紋的早期擴(kuò)展.圖8c為疲勞擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶以及垂直于擴(kuò)展方向的二次裂紋，疲勞條帶是疲勞斷口典型的微觀特征，其粗細(xì)間距與交變應(yīng)力有近似對應(yīng)的關(guān)系.圖8d為瞬斷區(qū)斷口形貌，由于裂紋的不斷擴(kuò)展，使剩余面積逐漸減小，當(dāng)剩余面積不足以承受外載荷時，裂紋就發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展以至斷裂.圖中韌窩分布不均，細(xì)小且淺，說明瞬斷區(qū)塑性變形少.

圖8 搭接接頭1疲勞斷口(SEM)

圖9 搭接接頭2疲勞斷口(SEM)

通過圖9分析可知，搭接接頭2的疲勞斷裂從前進(jìn)側(cè)TMAZ起裂，呈現(xiàn)典型的單源特征，同時疲勞擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶明顯，說明接頭2的疲勞性能有所改善.由于TMAZ受到探針的剪切作用，晶粒發(fā)生較大變形，同時受到鉤狀缺陷的影響，硬度值最低，所以接頭容易在TMAZ發(fā)生疲勞破壞.從圖9d瞬斷區(qū)形貌可以看出，韌窩是微孔聚集長大的結(jié)果，韌窩內(nèi)大多包含一個夾雜物或第二相，圖中韌窩細(xì)小且淺，存在撕裂棱.

3 結(jié)論

當(dāng)采用轉(zhuǎn)速為800 r/m，焊速為200 mm/min，攪拌針長度為2.5mm的工藝參數(shù)焊接時，接頭的強(qiáng)塑性最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到 467 MPa，為母材的94%.

采用不同長度的攪拌針焊接，產(chǎn)生了不同的焊核區(qū)形態(tài)，影響了接頭的界面成形性能.典型的界面缺陷——“鉤狀缺陷”出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)的TMAZ，其形狀尺寸與攪拌針長度有關(guān).鉤狀缺陷容易引發(fā)裂紋的萌生及擴(kuò)展，導(dǎo)致應(yīng)力集中，減少接頭的有效承載厚度，降低其力學(xué)性能.

搭接接頭疲勞S-N曲線表明:在高疲勞應(yīng)力水平下，搭接接頭的疲勞壽命接近母材;但隨著疲勞應(yīng)力水平降低，接頭的疲勞壽命急劇下降，200萬循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度為80 MPa，僅達(dá)到母材的35%.

搭接接頭的疲勞斷口分析表明:搭接接頭在前進(jìn)側(cè)的TMAZ發(fā)生疲勞破壞，當(dāng)“鉤狀”尖端無裂紋擴(kuò)展時，接頭的疲勞性能較好，疲勞源區(qū)呈現(xiàn)單點源特征且疲勞條帶明顯.

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