6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)研究

王忠保，宋海鵬，富東慧，吉建民，崔 雷，楊新岐

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300；3. 北京遙感設(shè)備研究所，北京 100854；4. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)研究

王忠保1，宋海鵬2，富東慧1，吉建民3，崔 雷4，楊新岐4

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300；3. 北京遙感設(shè)備研究所，北京 100854；4. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭力學(xué)性能開展了實(shí)驗(yàn)研究，首先通過顯微觀測分析了T型接頭的缺陷特征，隨后進(jìn)行了沿蒙皮板方向和沿支撐板方向的宏觀拉伸實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法研究了接頭的拉伸斷裂行為．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭中均存在弱連接缺陷，且弱連接缺陷是導(dǎo)致接頭沿筋板斷裂的主要原因．沿蒙皮板方向拉伸時(shí)，接頭的強(qiáng)度受焊接參數(shù)的影響不大，且其斷裂主要是由熱影響區(qū)(HAZ)材料軟化且兩側(cè)材料強(qiáng)度差異較大所引起；沿支撐板方向拉伸時(shí)，試件首先在弱連接缺陷處萌生裂紋，裂紋在載荷作用下沿弱連接所在的方向擴(kuò)展，并在試件另一側(cè)靠近筋板處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，最終試件發(fā)生剪切斷裂失效．此外，接頭沿筋板方向抗拉強(qiáng)度隨焊接轉(zhuǎn)速的增加有增大趨勢．

攪拌摩擦焊；6061-T4鋁合金；T型接頭；力學(xué)性能；數(shù)字圖像相關(guān)；斷裂行為

鋁合金T型接頭是一種常見的焊接接頭形式，它可以在不影響構(gòu)件整體質(zhì)量的情況下有效地提高壁板穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車船舶等工程領(lǐng)域．在眾多鋁合金T型接頭連接技術(shù)中，攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW)是一種環(huán)保、節(jié)能、多用途的新型固相連接技術(shù)[1-2]．與傳統(tǒng)工藝相比，F(xiàn)SW具有低熱輸入、焊后殘余變形小等優(yōu)點(diǎn)．開展鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭力學(xué)行為研究，有助于進(jìn)一步改進(jìn)FSW工藝并推廣應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義及工程價(jià)值．

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞鋁合金T型接頭力學(xué)性能開展了相關(guān)研究，并取得了初步的成果．文獻(xiàn)[3-7]研究了T型接頭沿筋板方向的拉伸力學(xué)性能．利用專門設(shè)計(jì)的拉伸裝置測試了同種及異種鋁合金接頭的靜載強(qiáng)度，討論了材料及加工工藝對接頭強(qiáng)度的影響．結(jié)果表明：在相同焊接條件下，6082同種鋁合金T型接頭在抗拉強(qiáng)度及焊接缺陷消除方面均好于2024鋁合金T型接頭；采用較小的軸肩焊接異種材料T型接頭時(shí)，常會出現(xiàn)隧道及孔洞等缺陷，而采用較大軸肩焊接可較好地消除隧道缺陷．Tavares等[8-9]進(jìn)行了6056/7075異種鋁合金T型接頭的拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明試件沿壁板方向的拉伸強(qiáng)度與6056鋁合金對接接頭相差不大，但T型接頭的伸長率明顯下降；沿垂直壁板方向的抗彎強(qiáng)度為6056鋁合金對接接頭的1/2．侯曉鵬等[10]對3種不同組合形式(搭接/對搭接/對接)的6061-T4鋁合金T型接頭的微觀組織和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了觀察測試，發(fā)現(xiàn)弱結(jié)合和隧道缺陷是引起這3種T型接頭沿筋板方向斷裂的重要原因．

以上工作給出了不同條件下T型接頭的力學(xué)參數(shù)，對研究生產(chǎn)具有較好的指導(dǎo)意義，然而要深入研究T型接頭力學(xué)性能，還需進(jìn)一步針對T型接頭受載破壞全過程開展全場、精細(xì)、定量的實(shí)驗(yàn)分析．筆者利用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法研究鋁合金FSW-T型接頭的拉伸斷裂行為，分別進(jìn)行沿蒙皮板方向和支撐板方向的拉伸實(shí)驗(yàn)，給出T型接頭試件的微觀結(jié)構(gòu)及缺陷類型，討論試件拉伸強(qiáng)度及斷裂方式，并通過受載變形場演化分析試件整個(gè)破壞過程．

1 T型接頭試樣及其顯微結(jié)構(gòu)

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)用6061-T4鋁合金材料，T型接頭構(gòu)件由蒙皮板和支撐板焊接而成，兩者尺寸分別為300,mm× 90,mm×3,mm和300,mm×45,mm×3,mm．焊接實(shí)驗(yàn)在FSW-RS32-015型攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)攪拌頭材料選用H13鋼，軸肩直徑尺寸取為20,mm，攪拌針長度為4.5,mm．焊接工藝參數(shù)如下：取3種不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度500,r/min、700,r/min、900,r/min；對應(yīng)每一旋轉(zhuǎn)速度，焊接速度分別選用50,mm/min、75,mm/min、100,mm/mim；軸肩壓入量均設(shè)置為0.2,mm．

焊接完成之后，沿垂直于焊縫方向切取T型接頭拉伸試樣，如圖1所示，試樣尺寸為90,mm× 25,mm×3,mm．

圖1 T型接頭拉伸試樣Fig.1 T-joints specimen for tension experiment

1.2 T型接頭顯微結(jié)構(gòu)

試樣制備好后，將其放在OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，檢測可能存在的焊接缺陷．實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，T型接頭內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)隧道缺陷，但存在類似于對接和搭接焊縫中出現(xiàn)的“弱連接”線痕跡，即貫穿焊縫界面的“Z”連接線和“弱結(jié)合”缺陷．以攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為500,r/min、焊接速度為50,mm/min條件下T型接頭為例，圖2給出了接頭試樣的宏觀缺陷分布及缺陷局部放大信息，從圖中可以看出，該試樣在蒙皮板和支撐板搭接界面處存在典型的“弱連接”缺陷．

圖2 試樣缺陷分布及局部特征Fig.2Distribution and local characteristic of defects in the specimen

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

對各組T型接頭試件分別進(jìn)行沿蒙皮板方向和支撐板方向的拉伸實(shí)驗(yàn)．加載設(shè)備采用長春CSS44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，兩種試樣裝卡方式如圖3所示，實(shí)驗(yàn)加載速率均取為1,mm/min．實(shí)驗(yàn)加載過程中利用DIC測試裝置采集試件表面圖像，如圖4所示，選用UNIQ VISION公司生產(chǎn)的UP-1830型CCD相機(jī)，分辨率為1,024×1,024,像素，圖像采集頻率取為5幀/s．

圖3 拉伸試樣裝卡方式Fig.3 Installation of specimens for tensile experiment

圖4 DIC測試裝置Fig.4 Experimental setup of DIC

2.2 數(shù)字圖像相關(guān)方法

數(shù)字圖像相關(guān)是一種基于試樣表面灰度特征分析獲取被測物變形信息的光學(xué)測量方法，具有非接觸、全場測量、光路簡單和對測量環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)[11-12]. 數(shù)字圖像相關(guān)原理如圖5所示，在試樣變形前圖像(參考圖像)中以被測點(diǎn)為中心取一矩形參考子區(qū)，通過相關(guān)算法在變形后圖像(目標(biāo)圖像)中尋找與參考子區(qū)最匹配的目標(biāo)子區(qū)，從而確定該被測點(diǎn)的變形信息．重復(fù)以上過程，即可獲得被測物表面的全場變形信息．

圖5 數(shù)字圖像相關(guān)原理示意Fig.5 Basic principle of digital image correlation method

假設(shè)參考圖像灰度分布函數(shù)為f(x，y)，目標(biāo)圖像灰度分布函數(shù)為g(x*，y*)．對于參考圖像任意點(diǎn)(x，y)，有

式中：(x*，y*)為點(diǎn)(x，y)變形后的位置坐標(biāo)；u0、v0為子區(qū)中心點(diǎn)在x、y方向的位移；?u/?x、?u/?y、?v/?x、?v/?y均為位移的一階偏導(dǎo)數(shù)；xΔ、yΔ分別為點(diǎn)(x，y)到子區(qū)中心點(diǎn)的距離．

子區(qū)變形前后匹配程度需通過相關(guān)函數(shù)來衡量，本文采用式(2)所示相關(guān)函數(shù)，其中P＝[u0，v0，?u/?x，?u/?y，?v/?x，?v/?y]．當(dāng)C取最大值時(shí)，表明變形前后兩子區(qū)最為匹配．因此通過相關(guān)算法搜索C最大值即可求取被測點(diǎn)位移信息．

通過對位移場進(jìn)行局部最小二乘擬合即可求得各點(diǎn)應(yīng)變[13]．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

拉伸實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組沿蒙皮板方向拉伸，另一組沿支撐板方向拉伸．每組實(shí)驗(yàn)包括3類試件，分別對應(yīng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為500,r/min、700,r/min、900,r/min．

3.1 加載曲線及斷裂方式

圖6給出了典型T型接頭試件(攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為500,r/min)沿蒙皮板方向和沿支撐板方向的單軸拉伸加載曲線及斷裂方式．在兩種加載方式下，試件均經(jīng)歷線彈性變形、塑性變形直至最終斷裂．對于沿蒙皮板方向的拉伸，峰值載荷為10,905,N，試件最終在蒙皮板處斷裂．而對于沿支撐板方向的拉伸，峰值載荷為5,946,N，試件斷裂發(fā)生在蒙皮板和支撐板的連接處．

圖6 T型接頭試樣單軸拉伸載荷-時(shí)間曲線Fig.6 Force-time curves of T-joints specimens under uniaxial tension

3.2 抗拉強(qiáng)度分析

對各組T型接頭的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行分析，試件沿蒙皮板方向的拉伸強(qiáng)度如圖7(a)所示，接頭的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)到149.37,MPa，且均小于母材強(qiáng)度189,MPa．隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的升高，接頭沿蒙皮板方向的抗拉強(qiáng)度下降幅度極?。纱丝梢?，在轉(zhuǎn)速為500～900,r/min范圍內(nèi)，熱輸入的升高對蒙皮板材料強(qiáng)度的影響并不明顯．T型接頭沿支撐板方向的拉伸強(qiáng)度如圖7(b)所示，均低于蒙皮板方向，且隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的升高，其抗拉強(qiáng)度有所提升．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒙皮板和支撐板之間存在的弱連接缺陷影響試件的強(qiáng)度，而旋轉(zhuǎn)速度的提高有助于減小弱連接缺陷尺寸．

圖7 攪拌摩擦焊T型接頭的抗拉強(qiáng)度Fig.7 Tensile strength of friction stir welded T-joints

3.3 全場變形分析

進(jìn)一步以圖6中給出的典型T型接頭試樣為例(攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為500,r/min)，分析兩種拉伸過程中試樣的表面全場變形演化規(guī)律．

對于沿蒙皮板方向拉伸實(shí)驗(yàn)，取加載過程中3個(gè)關(guān)鍵加載時(shí)刻(t1、t2、t3)，如圖6(a)所示，計(jì)算試件表面應(yīng)變云圖．圖8分別給出了3個(gè)時(shí)刻試件正應(yīng)變εx、εy及剪應(yīng)變τxy的應(yīng)變場，圖中A處為焊接接頭的熱影響區(qū)(HAZ)、B處為近焊核區(qū)(NZ)弱連接缺陷所在位置．

如圖8(a)所示，拉伸初期，在接頭中A、B處εy值較大，而τxy僅集中在弱連接區(qū)域和近焊核區(qū)域(NZ)即圖中B處；εy最大值為1.08%，而剪應(yīng)變τxy最大值為-0.27%．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較大εy首先發(fā)生在焊接接頭拉伸方向的HAZ和缺陷所在位置．其原因可歸結(jié)為以下3個(gè)方面：接頭在缺陷處存在較大應(yīng)力集中，裂紋易在此區(qū)域萌生并擴(kuò)展；接頭HAZ兩側(cè)材料組織不均勻(HAZ材料在FSW過程中被軟化)，導(dǎo)致兩部分材料的變形抗力有較大差異，塑性變形易在此區(qū)域發(fā)生；焊接過程中軸肩的壓入使焊縫厚度低于母材厚度，故在HAZ處存在一定程度應(yīng)力集中．

隨拉伸過程的繼續(xù)進(jìn)行，如圖8(b)、8(c)所示，弱連接缺陷所致的裂紋(B區(qū)域)擴(kuò)展至一定程度便不再繼續(xù)擴(kuò)展．其原因?yàn)榱鸭y方向已近似地平行于拉伸正方向，此處并不存在較大的應(yīng)力集中．如圖8(b)所示，在HAZ(A處)正應(yīng)變繼續(xù)增大，且在A處發(fā)生頸縮．在t3時(shí)刻(見圖8(c))，A處y方向正應(yīng)變最大，試件最終在A處發(fā)生斷裂，且斷口與蒙皮板軸線成45°左右，說明FSW-T型接頭沿蒙皮板拉伸斷裂主要由于HAZ材料被軟化且其兩側(cè)材料強(qiáng)度差異較大所導(dǎo)致．

圖8 試件沿蒙皮板方向拉伸過程中的應(yīng)變場演化Fig.8 Evolution of strain fields in specimen under tension along skin plate direction

同樣給出試樣沿支撐板方向拉伸過程中3個(gè)關(guān)鍵加載時(shí)刻的應(yīng)變云圖，如圖9所示．其中，B處也為近焊核區(qū)(NZ)弱連接缺陷所在位置．

如圖9(a)所示，加載初期，在試件弱連接缺陷B處應(yīng)變數(shù)值明顯比其他區(qū)域大，表明試件在B處起裂．且正應(yīng)變較大，而剪應(yīng)變較?。S著拉伸力增大，裂紋沿著弱連接所在方向不斷擴(kuò)展，如圖9(b)、(c)所示，并且在試件右側(cè)毗鄰加筋板的焊趾處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域．隨著載荷持續(xù)增大，試件最終發(fā)生剪切斷裂失效．

圖9 試件沿支撐板方向拉伸過程中的應(yīng)變場演化Fig.9Evolution of strain fields in specimen under tension along support plate direction

4 結(jié) 論

本文結(jié)合宏觀拉伸實(shí)驗(yàn)、顯微觀察及DIC方法對6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭力學(xué)性能開展了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論．

(1) 隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的升高，6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭沿蒙皮板方向的極限抗拉強(qiáng)度呈小范圍內(nèi)下降的趨勢，而沿支撐板方向的極限抗拉強(qiáng)度呈小范圍內(nèi)的上升趨勢．隨著焊接速度的升高，接頭沿蒙皮板方向的極限抗拉強(qiáng)度不存在明顯的變化規(guī)律，而沿支撐板的極限抗拉強(qiáng)度有下降趨勢．

(2) 利用DIC分析6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭試樣斷裂過程．沿蒙皮板方向拉伸時(shí)，接頭斷裂主要由HAZ材料軟化、且其兩側(cè)材料強(qiáng)度差異較大所導(dǎo)致；沿支撐板方向拉伸時(shí)，試件首先在弱連接缺陷處萌生裂紋，裂紋在載荷作用下持續(xù)擴(kuò)展，并且在接頭右側(cè)毗鄰加筋板的焊趾處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，試件最終剪切斷裂失效．

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（責(zé)任編輯：田 軍）

Experimental Investigation on Tensile Fracture Behavior of Friction Stir Welded T-Joints of 6061-T4 Aluminum Alloy

Wang Zhongbao1，Song Haipeng2，F(xiàn)u Donghui1，Ji Jianmin3，Cui Lei4，Yang Xinqi4
(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China；3. Beijing Institute of Remote Sensing Equipment，Beijing 100854，China；4. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The mechanical properties of 6061-T4 aluminum alloy T-joints fabricated by friction stir welding have been experimentally investigated. The flaw characterization of T-joints was first observed by microscope，then two groups of tension experiments stretching respectively along skin plate and support plate were conducted，and the fracture behavior of T-joints under tension was analyzed by digital image correlation(DIC)method. The experimental results show that，weak-bonding defects，which lead to the joint failure along the reinforcement plate，always exist in the welded joints. When stretching along the skin plate direction，the strength of joint is hardly affected by welding parameters，and the fracture is mainly caused by softening and the strength difference between the materials on the two sides of the heat affect zone(HAZ)；when stretching along the support plate，crack generates at the region of weakbonding defect，then grows along the direction of defect under tension，and a stress concentration region appears in the place near skin on the other side of the plate，the joint finally ruptures due to the shear fracture. In addition，the ultimate tensile strength(UTS)of the joints under tension along the support plate increases with the acceleration of welding rotation speed.

friction stir welding；6061-T4 aluminum alloy；T-joints；mechanical property；digital image correlation；fracture behavior

TG115.28

A

0493-2137(2015)08-0728-06

10.11784/tdxbz201406082

2014-06-27；

2014-10-24.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(20001921).

王忠保（1955— ），男，工程師，wangzhb@tju.edu.cn.

富東慧，testfu@tju.edu.cn.

時(shí)間：2014-11-24.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201406082.html.