攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀及展望

牛鵬亮，李文亞

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安 710072)

焊接殘余應(yīng)力的大小和分布，直接影響著焊接結(jié)構(gòu)件在后期服役過程中結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞裂紋的擴展等使用性能[1—2]，因此，攪拌摩擦焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的研究也是非常重要的。常用的有損檢測方法主要有鉆孔法、云紋干涉法、裂紋柔度法以及輪廓線法等[3—5]。由于測試設(shè)備的局限性，國內(nèi)主要采用鉆孔法和云紋干涉法[6—8]，但由于有損檢測方法對于焊件的破壞性制約了其廣泛的應(yīng)用，因而無損檢測方法才受到相關(guān)研究者們的青睞。目前，無損檢測方法主要有普通X射線衍射法、磁性法、超聲波法、中子衍射法以及高能同步輻射法等。普通X射線衍射法只能檢測到材料表面以下20 μm處的應(yīng)力，磁性法要求被測材料具有磁性，而超聲波法的測量精度相對較差。這3種方法由于各自存在的問題限制了它們的應(yīng)用。當(dāng)前，能夠準(zhǔn)確測量攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力的無損檢測方法只有中子衍射法和高能同步輻射法，也是目前國外對攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力測試的主要方法。研究人員在運用數(shù)值模擬的方法預(yù)測攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力方面也做了大量的工作[9—14]。

1 有損檢測方法

1.1 小孔法

小孔法是利用鉆孔工具在要測試殘余應(yīng)力的部位加工一個小孔，由于其殘余應(yīng)力釋放引起了殘余應(yīng)力的重新分布。測量小孔附近由于小孔加工而引起的應(yīng)變釋放量，通過彈性力學(xué)計算即可換算出小孔原有的殘余應(yīng)力值。此法簡單易行，測量精度高，在焊接殘余應(yīng)力的測試中得到了廣泛應(yīng)用[15]。

王希靖[16]等人采用小孔法對不同焊接工藝參數(shù)下LY12鋁合金薄板攪拌摩擦焊對接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量和分析。關(guān)于鉆孔法測量殘余應(yīng)力，美國材料試驗學(xué)會(ASTM)有其標(biāo)準(zhǔn)，船舶行業(yè)也已制定了關(guān)于鉆孔法的標(biāo)準(zhǔn)。該實驗鉆孔直徑1.5 mm，深度為2 mm。選取前進(jìn)側(cè)軸肩、焊縫中心線和返回側(cè)軸肩3個點進(jìn)行測試，測試點的位置如圖1所示。結(jié)果表明橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律基本相同，而且縱向殘余應(yīng)力總是大于橫向殘余應(yīng)力。縱向殘余應(yīng)力分布不對稱，返回側(cè)低于前進(jìn)側(cè)應(yīng)力，在焊縫附近為拉應(yīng)力，在軸肩作用區(qū)之外迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，縱向高應(yīng)力集中區(qū)在軸肩作用區(qū)域。最大值大概分布在前進(jìn)側(cè)軸肩作用區(qū)與被焊母材左右邊界。

圖1 測試點位置及殘余應(yīng)力分布[16]Fig.1 Location of the testing point

魏艷妮[17]等人采用小孔釋放法對6061-T5鋁合金攪拌摩擦焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試與分析，測試貼片位置分布如圖2所示。測試結(jié)果表明焊縫及近縫區(qū)平行和垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最小值為7.5 MPa，最大值均出現(xiàn)在后退側(cè)，垂直和平行于焊縫的最大壓應(yīng)力分別為93，100 MPa;焊縫前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)殘余應(yīng)力分布基本相同;隨小孔深度的增加，橫向和縱向的殘余應(yīng)力均增加。他們認(rèn)為攪拌摩擦焊殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生是由于焊接過程中的強烈塑性變形，有類似噴丸處理的效果。

圖2 殘余應(yīng)力測量貼片位置[17]Fig.2 Location of the residual stress testing paster

1.2 云紋干涉法

攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力存在很大的應(yīng)力梯度，但應(yīng)變片只能得到其長度范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，導(dǎo)致其測量的誤差比較大，不適合準(zhǔn)確測量攪拌摩擦焊接頭的殘余應(yīng)力。云紋干涉法是用測量的位移信息代替應(yīng)變片測量的應(yīng)變信息來確定殘余應(yīng)力[18]。亞敏[8]等人利用云紋干涉鉆孔法測量非均勻分布?xì)堄鄳?yīng)力的計算公式和實驗方法，對攪拌摩擦焊接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量。試驗時假設(shè)非均勻殘余應(yīng)力場在孔周圍小范圍內(nèi)是均勻的。結(jié)果表明，縱向殘余應(yīng)力σx和橫向殘余應(yīng)力σy都為殘余拉應(yīng)力，它們均隨著深度的增加而增加，但σx比σy大得多。因而，縱向殘余應(yīng)力是攪拌摩擦焊的主要殘余應(yīng)力，剪切殘余應(yīng)力與正應(yīng)力具有相同的量級，但數(shù)值大小在0附近上下浮動;殘余拉應(yīng)力在離開焊縫中心后先減小后增加，在熱影響區(qū)達(dá)到最大值，最后在進(jìn)入母材區(qū)域逐漸減小，隨著離焊縫距離的增加，殘余應(yīng)力將最終減小為0。然后改變方向成為殘余壓應(yīng)力，以與焊縫區(qū)內(nèi)的殘余拉應(yīng)力保持平衡?？傊瑹嵊绊憛^(qū)和焊縫中心的殘余應(yīng)力較大。

2 無損檢測方法

X射線衍射法、中子衍射法和高能同步輻射法測量殘余應(yīng)力的原理基本相同，均利用的是布拉格方程。材料受到應(yīng)力后，晶面間距的改變量可以通過衍射峰的相對位置變化測得。由于中子的穿透能力強以及高能輻射的高能量特征，使得后兩種方法可以測得材料較深區(qū)域的殘余應(yīng)力。

2.1 X射線衍射法

張津[19]等人用SWXRD-1000型短波長X射線衍射儀對Al{311}晶面族進(jìn)行衍射分析，測試方法選用sin 2ψ法(與普通X射線衍射分析完全相同)和d0法(與中子衍射及高能同步輻射的基本原理完全相同)，測試結(jié)果如圖3所示。圖3a為sin 2ψ法測得的結(jié)果，由于母材、熱影響區(qū)存在很強的軋制織構(gòu)，嚴(yán)重偏離了sin 2ψ法的模型，測量結(jié)果對于這兩個區(qū)域無效，而熱機影響區(qū)的晶粒發(fā)生彎曲且內(nèi)部有亞晶出現(xiàn)，造成了測量結(jié)果誤差較大。只有焊核區(qū)為等軸再結(jié)晶組織，測量結(jié)果是可靠的。RD方向的殘余應(yīng)力值明顯大于TD方向。由圖3b可知，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在焊縫中心線上，為187 MPa，達(dá)到了母材屈服強度的57%。由于焊接過程中前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)熱輸入不同，使得前進(jìn)側(cè)的殘余應(yīng)力沿TD方向的梯度明顯大于后退側(cè)的殘余應(yīng)力沿TD方向的梯度。

圖3 FSW焊縫殘余應(yīng)力分布[19]Fig.3 Residual stress distribution of the FSW joint

Hatamleh[20]等人首先對2195和7075鋁合金攪拌摩擦焊縫表面分別進(jìn)行了激光噴丸和珠擊噴丸處理，然后利用X射線衍射技術(shù)測量了處理后焊縫的殘余應(yīng)力。珠擊噴丸處理得到的表面殘余應(yīng)力高于激光噴丸處理的表面殘余應(yīng)力。激光噴丸處理對于焊縫邊緣的殘余應(yīng)力影響不大，此處正好發(fā)生了明顯的軟化現(xiàn)象。有關(guān)殘余應(yīng)力對疲勞性能影響的研究比較多[21—22]。Tran[23]等人研究了殘余應(yīng)力及微觀組織對AA6063-T5鋁合金攪拌摩擦焊疲勞裂紋擴展的影響。分別在室溫和200℃對焊態(tài)和焊后熱處理的焊縫進(jìn)行疲勞試驗，疲勞裂紋擴展率受微觀組織的影響較大，而在軸肩區(qū)雖然有明顯的殘余應(yīng)力，但對疲勞裂紋擴展影響不大。Commin[24]等人研究了微觀組織改變造成的殘余應(yīng)力變化對于鍛造鎂合金攪拌摩擦焊拉伸性能的影響。攪拌摩擦焊時，保持焊接速度和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度不變，軸肩直徑分別選用為10 mm和13 mm，這兩種軸肩所獲得焊縫的殘余應(yīng)力分布由于組織的不同而存在較大差異。在熱力影響區(qū)存在較大的殘余拉應(yīng)力，并且前進(jìn)側(cè)的殘余拉應(yīng)力更大。殘余應(yīng)力影響屈服應(yīng)力的演變，因而對攪拌摩擦焊的力學(xué)性能有較大影響。Hatamleh[25]等人研究了2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊縫殘余應(yīng)力的分布特征以及噴丸后應(yīng)力的釋放。試驗結(jié)果表明，在焊縫的表面和內(nèi)部都存在較高水平的殘余拉應(yīng)力，通過施加激光噴丸處理，表面和內(nèi)部的殘余應(yīng)力都會有一定的釋放，并且大多表面殘余應(yīng)力的釋放發(fā)生在施加第一次循環(huán)載荷時，如圖4所示。

圖4 噴丸處理前后接頭殘余應(yīng)力分布[25]Fig.4 The residual stress distribution before and after peening

2.2 中子衍射法

中子衍射法由于中子較強的穿透能力，可用于測量焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力。研究人員已經(jīng)用中子衍射法測量了高強鋼MIG焊[26]和不銹鋼管GTAW焊[27]焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布特征。有關(guān)中子衍射測試攪拌摩擦焊的研究也比較多，Ma[28]等人利用德國ARES-2中子衍射儀對2198-T8鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試。研究了試樣尺寸效應(yīng)對于接頭殘余應(yīng)力和疲勞裂紋擴展的影響，斷裂韌度試樣和疲勞裂紋擴展試樣分別切3個不同的尺寸，前者的裂紋平行于焊縫，后者的裂紋垂直于焊縫。結(jié)果在疲勞裂紋擴展試樣刻痕周圍的壓應(yīng)力延遲了其裂紋的萌生和向焊縫中心線擴展的速率;隨裂紋長度的增加，殘余應(yīng)力減緩了裂紋擴展速率。

Starona[29]等人分別對 6.3 mm 和 3.2 mm 厚的AA2024-T351鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊，焊前對鋁合金板施加大小為屈服強度70%的拉力，并用中子衍射技術(shù)測量了接頭的殘余應(yīng)力，結(jié)果在經(jīng)焊前拉伸的焊縫中，無論是縱向還是橫向均測得的是壓應(yīng)力;在未經(jīng)焊前拉伸的試樣中縱向殘余拉應(yīng)力峰值達(dá)到了130 MPa，而橫向殘余應(yīng)力比較小且分布較為均勻，如圖5所示。

圖5 6.3 mm厚接頭殘余應(yīng)力分布[29]Fig.5 Residual stress results for the 6.3 mm thick joint

Michael[30]等人分別用輪廓線法和中子衍射法對25.4 mm厚的7075-T7451和2004-T351鋁合金攪拌摩擦焊縫中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試。為了消除切割試樣造成的應(yīng)力釋放，制樣時試樣要切的長一些(圣維南特征距離和橫向尺寸的相關(guān)性大于厚度方向)。測試結(jié)果表明，殘余拉應(yīng)力峰值(32 MPa)區(qū)內(nèi)，呈典型的“M”型，認(rèn)為非對稱的分布特征和攪拌摩擦焊過程中較大的熱量梯度有關(guān)。同時也表明，攪拌摩擦焊焊接厚板時，焊縫中的殘余應(yīng)力比較小。Solanki[31]等人研究了鎂合金AZ31攪拌摩擦點焊接頭的殘余應(yīng)力，其中子衍射結(jié)果表明，在熱機影響區(qū)有明顯的平面殘余拉應(yīng)力，且在遠(yuǎn)離焊縫中心的區(qū)域減小。Cioffi[32]等人基于平行于焊縫和垂直于焊縫兩個方向拉彎力矩平衡方程，借助中子衍射的優(yōu)勢，運用固定基點算法和遺傳算法，計算出了10 mm厚時效強化鋁合金AA2024攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域的無應(yīng)力晶格間距d0值。

2.3 高能同步輻射法

同步輻射(Synchrotron Radiation)是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運動時，由于相對論效應(yīng)，沿軌道切線方向發(fā)出的電磁輻射(也叫同步光)。高能同步輻射測試殘余應(yīng)力的基本原理和中子衍射基本相同，都是要滿足布拉格方程。

Lombard[33]等人研究了工藝參數(shù)對 AA5083-H321鋁合金攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力的影響。采用高能同步輻射法測量了不同工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力值。結(jié)果表明，焊后接頭殘余應(yīng)力分布曲線的寬度和最大值和熱輸入存在線性關(guān)系，且焊接速度對熱輸入起主導(dǎo)作用。Luckhoo[34]等人針對12.7 mm厚鋼的攪拌摩擦焊焊縫，采用3種不同本征應(yīng)變的有限元模型模擬其殘余應(yīng)力分布，并用高能同步輻射技術(shù)對焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量，通過對比模擬結(jié)果和實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨本征應(yīng)變范圍的擴大，該有限元模型預(yù)測焊縫中殘余應(yīng)力更為準(zhǔn)確。Altenkirch[35]等人在 AA7449-W51鋁合金攪拌摩擦焊過程中，在焊件上施加不同大小的拉力，然后用高能同步輻射技術(shù)對焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試與分析，所施加的拉力減小了焊后接頭殘余應(yīng)力的變化范圍，當(dāng)所施加的拉力大小為母材室溫屈服強度的35%時，焊后接頭中的殘余應(yīng)力最小。Peel[36]等人研究了焊接速度對AA5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織、力學(xué)性能以及殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，隨焊接速度的增加，焊縫橫向殘余應(yīng)力也隨之增加，如圖6所示。他們認(rèn)為這很可能是因為攪拌摩擦焊時，較大的熱量梯度以及殘余應(yīng)力來不及釋放導(dǎo)致的。

圖6 焊縫縱向和橫向殘余應(yīng)力分布[36]Fig.6 The residual stress distribution of the longitudinal and transverse of the welds

3 結(jié)語

通過綜述近些年來國內(nèi)外攪拌摩擦焊件殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀可知，攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力的分布規(guī)律大致為:縱向殘余應(yīng)力大于橫向;前進(jìn)側(cè)殘余應(yīng)力大于后退側(cè);焊縫中心為拉應(yīng)力;隨深度的增加殘余應(yīng)力值增加。由于有損檢測對于焊接件的破壞、測量精度的限制，無損檢測方法將會越來越受到研究者們的歡迎。殘余應(yīng)力無損檢測方法中，普通X射線衍射受穿透力的限制，更適合于被測件表面殘余應(yīng)力的測量，中子衍射、高能同步輻射是目前公認(rèn)的測量殘余應(yīng)力結(jié)果最可靠的方法。隨著攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力檢測水平的不斷提高以及有關(guān)殘余應(yīng)力理論研究的不斷深入，攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬也會更加的成熟，從而為攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力的預(yù)測提供有力的支撐。

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