鋁合金攪拌摩擦焊接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力的短波長X射線測(cè)試

竇作勇，張鵬程，3 ，李 云，王茂銀，董 平，陳 力，鄭 林，裴利程

（1.表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽621907；2.中國工程物理研究院材料研究所，綿陽621700；3.四川藝精科技集團(tuán)有限公司，綿陽621700；4.中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶400039；5.中國航天科技集團(tuán)長征機(jī)械廠，成都610100）

0 引 言

攪拌摩擦焊接（FSW）技術(shù)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)。與傳統(tǒng)熔化焊相比，F(xiàn)SW具有能耗低、接頭質(zhì)量好、變形小、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、核工業(yè)、列車制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。同其他焊接技術(shù)一樣，F(xiàn)SW也會(huì)在焊件中引入殘余應(yīng)力，從而對(duì)焊件的服役性能（如疲勞、斷裂等性能）產(chǎn)生影響［2-3］。因此，許多學(xué)者對(duì)FSW焊件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究［2-4］。

由于FSW是鋁合金較為理想的焊接技術(shù)，因此國內(nèi)外眾多學(xué)者研究了鋁合金FSW接頭的殘余應(yīng)力。王訓(xùn)宏等［4］采用X射線衍射儀研究了1060鋁合金FSW接頭與鎢極氬弧焊接頭中殘余應(yīng)力的差異；國外學(xué)者［2-3，5］采用中子衍射和高能同步輻射研究了鋁合金FSW接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，從而加深了對(duì)FSW接頭中殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí)。由于中子和高能同步輻射產(chǎn)生的短波長X射線對(duì)材料有很強(qiáng)的穿透能力，可分析厚度在厘米級(jí)材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，如，Ma等［5］采用中子衍射研究了12.7mm厚2195-T8鋁-鋰合金FSW接頭的殘余應(yīng)力；Prime等［3］采用輪廓法和中子衍射法研究了25.4mm厚7050和2024鋁合金FSW接頭中殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布規(guī)律；Lombard等［6］采用同步輻射高能X射線衍射研究了6mm厚AA5083-H321鋁合金FSW接頭縱向和橫向的殘余應(yīng)力分布。而國內(nèi)中子衍射和高能同步輻射測(cè)定應(yīng)力的相關(guān)技術(shù)還處于起步階段，因此文獻(xiàn)報(bào)道還很少。

近年來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的大厚度鋁合金攪拌摩擦焊的工藝研究［7］和殘余應(yīng)力分析［3］日益受到重視，除了構(gòu)件的表面應(yīng)力狀態(tài)外，內(nèi)部應(yīng)力的研究也非常重要，即可通過分析構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力的狀態(tài)來優(yōu)化工藝，從而防止因殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形或開裂。然而，普通的X射線應(yīng)力儀還無法實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部應(yīng)力的測(cè)試。2008年，中國工程物理研究院材料研究所聯(lián)合中國兵器工業(yè)第五九研究所成功研制了短波長X射線應(yīng)力分析儀，該儀器可以無損的方法測(cè)試?yán)迕准?jí)厚度材料的內(nèi)部應(yīng)力，并已在鋁合金、鋼鐵等材料的應(yīng)力分析中得到應(yīng)用［8-9］。

針對(duì)工程應(yīng)用的需求，作者采用攪拌摩擦焊工藝對(duì)2024鋁合金進(jìn)行了焊接，并利用自制的XL-1型短波長X射線應(yīng)力分析儀研究了FSW接頭的內(nèi)部殘余應(yīng)力，旨在為焊接工藝的優(yōu)化和后續(xù)加工工藝的制定提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為6mm厚2024-T351鋁合金板，采用FSW-LS-012B型攪拌摩擦焊接設(shè)備按表1所示的參數(shù)進(jìn)行焊接，攪拌頭材料為H13鋼，軸肩直徑為20.0mm，攪拌針為帶錐度的螺紋狀結(jié)構(gòu)，軸肩一側(cè)直徑為7.1mm，頭部一側(cè)直徑為5.3mm，高度為5.8mm。焊接完成后的試樣尺寸為200mm（長）×206mm（寬）×6mm（高），長度方向平行于母材的軋制方向并與焊接方向一致，焊件置于室溫環(huán)境下自然冷卻。

表1 不同F(xiàn)SW接頭對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding parameters for different FSW welded joints

線能量密度參數(shù)（攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度的比值）為攪拌頭移動(dòng)單位距離所對(duì)應(yīng)的攪拌頭的轉(zhuǎn)數(shù)。

1.2 試驗(yàn)方法

采用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡觀察焊縫橫截面的組織，腐蝕溶液由HF、HCl、HNO3、H2O按體積比為2∶3∶5∶190進(jìn)行配制。

利用XL-1型短波長X射線應(yīng)力分析儀采用d0法測(cè)定焊接接頭的殘余應(yīng)力［3，6，10-11］，X 射線源為鎢靶X射線管，管電壓為200kV，管電流為3.5mA，選用鎢Kα1射線對(duì)試樣進(jìn)行衍射分析，波長為0.02nm；規(guī)范體積為2mm（長）×0.1mm（寬）×3mm（高），選擇 Al（311）作為衍射晶面；在應(yīng)力測(cè)定過程中，調(diào)整規(guī)范體積至焊接接頭厚度的中間位置，沿圖1所示的直線進(jìn)行測(cè)定。

圖1 d0法測(cè)定焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力時(shí)所用的試樣及無應(yīng)力標(biāo)樣Fig.1 Sample used for internal residual stress testing by d0 method and the unstressed reference sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖2中的白亮區(qū)域?yàn)楹负藚^(qū)，因攪拌頭對(duì)被焊材料的攪拌和旋轉(zhuǎn)作用而形成；焊核區(qū)上方有一錐形區(qū)域，該區(qū)域在焊接接頭上表面的寬度為20mm（與攪拌頭的軸肩直徑相同），為軸肩作用區(qū)；由焊接接頭中心向兩邊依次為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。

圖3（a）為焊核區(qū)，該區(qū)在焊接過程中受到攪拌針強(qiáng)烈的攪拌作用，經(jīng)歷了較高溫度的熱循環(huán)，組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，由母材原始的板條狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸的再結(jié)晶組織，晶粒大小約為6μm。圖3（b）為熱機(jī)影響區(qū)，該區(qū)在焊接過程中同時(shí)受到攪拌針的機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，由于該區(qū)距攪拌針較遠(yuǎn)，受到的機(jī)械攪拌作用遠(yuǎn)小于焊核區(qū)的，因此，該區(qū)的材料發(fā)生了較大程度的彎曲變形。圖3（c）為熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)的交界處。圖3（d）為熱影響區(qū)，該區(qū)組織在焊接過程中僅受到熱循環(huán)作用，未發(fā)生變形，而且經(jīng)受的焊接熱循環(huán)作用比焊核區(qū)的弱，僅發(fā)生了回復(fù)；與母材相比，該區(qū)組織稍有粗化現(xiàn)象［1］。

圖2 2024-T351鋁合金FSW接頭橫截面的宏觀形貌Fig.2 Macrograph of cross-section of 2024-T351aluminum alloy FSW joint

圖3 2024-T351鋁合金FSW接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.3 Microstructure of different areas of 2014-T351aluminum alloy FSW joint：（a）weld nugget；（b）TMAZ at the advancing side；（c）interface between TMAZ and HAZ at the advancing side and（d）HAZ at the advancing side

2.2 殘余應(yīng)力

圖4 不同F(xiàn)SW接頭內(nèi)部縱向殘余應(yīng)力的分布曲線Fig.4 Longitudinal internal residual stress in different FSW welded joints

由圖4可見，3個(gè)FSW接頭中的縱向殘余應(yīng)力均呈“M”型分布，且處于非平衡狀態(tài)，拉應(yīng)力占主導(dǎo)。相對(duì)于焊縫中心線，前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的應(yīng)力呈不對(duì)稱分布，且在攪拌頭軸肩作用區(qū)（-10～10mm）內(nèi)，前進(jìn)側(cè)的殘余應(yīng)力略高于后退側(cè)的，這與文獻(xiàn)［2］的結(jié)果相吻合。分析認(rèn)為，前進(jìn)側(cè)攪拌頭的軸肩與工件表面接觸處的相對(duì)速度較大，產(chǎn)生的摩擦熱較多，導(dǎo)致在隨后冷卻過程中產(chǎn)生的溫度梯度較大，從而引起較大的殘余應(yīng)力。此外，縱向殘余應(yīng)力的峰值位于攪拌頭軸肩作用區(qū)內(nèi)，結(jié)合FSW接頭的顯微組織分析可知，殘余應(yīng)力峰值位于FSW接頭的熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)交界處附近。由圖4還可以看出，隨著距焊縫中心距離的增加，殘余拉應(yīng)力逐漸降低，直至變?yōu)閴簯?yīng)力，呈現(xiàn)出與焊縫附近拉應(yīng)力相平衡的趨勢(shì)。

此外，在焊縫附近區(qū)域，接頭1中的應(yīng)力最小，接頭2和3中的應(yīng)力水平相當(dāng)。由表1可知，接頭1的線能量密度參數(shù)最高，即在焊接過程中，攪拌頭輸入焊件的熱能是最高的，大的熱能輸入會(huì)導(dǎo)致周邊材料溫度升高［6］，使得焊件在降溫過程中焊縫附近材料的溫差較小，從而使得殘余應(yīng)力降低。接頭2和3的線能量密度相當(dāng)，故焊縫區(qū)域的應(yīng)力峰值大小也比較接近。

由圖5可以看出，F(xiàn)SW接頭內(nèi)部的橫向殘余應(yīng)力大大低于縱向的。與縱向殘余應(yīng)力分布不同的是，雖然在軸肩作用區(qū)內(nèi)有拉應(yīng)力峰值，但在軸肩作用區(qū)外的熱影響區(qū)及母材區(qū)，也存在大小與該拉應(yīng)力峰值相當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力，這表明焊接接頭的橫向殘余應(yīng)力水平較低，與母材中的相當(dāng)，這與文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［5］的結(jié)果相符。

圖5 不同F(xiàn)SW接頭內(nèi)部橫向殘余應(yīng)力的分布曲線Fig.5 Transverse internal residual stress in different FSW welded joints

3 結(jié) 論

（1）采用短波長X射線應(yīng)力分析儀研究了2024-T351鋁合金攪拌摩擦焊接頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力，所得應(yīng)力分布規(guī)律與國外文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致。

（2）攪拌摩擦焊接頭內(nèi)部縱向的殘余應(yīng)力呈典型的“M”型分布，且大于橫向的，縱向殘余應(yīng)力峰值位于焊縫熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)交界附近。

（3）線能量密度對(duì)縱向殘余應(yīng)力峰值具有顯著影響。

［1］王國慶，趙衍華.鋁合金的攪拌摩擦焊接［M］.北京：中國宇航出版社，2010.

［2］WOO W，F(xiàn)ENG Z，WANG X L，et al.Neutron diffraction measurements of residual stresses in friction stir welding：a review［J］.Science and Technology of Welding and Joining，2011，16（1）：23-32.

［3］PRIME M B，GN?UPEL-HEROLD T，BAUMANN J A，et al.Residual stress measurement in a thick，dissimilar aluminum alloy friction stir weld［J］.Acta Materialia，2006，54：4013-4021.

［4］沈洋，王快社，沈洋.攪拌摩擦焊和鎢極氬弧焊焊接接頭的殘余應(yīng)力［J］.機(jī)械工程材料，2007，31（1）：26-28.

［5］MA Y E，STARON P，F(xiàn)ISCHER T，et al.Size efects on residual stress and fatigue crack growth in friction stir welded 2195-T8aluminum-part I：experiments［J］.International Journal of Fatigue，2011，33：1417-1425.

［6］LOMBARD H，HATTINGH D G，STEUWER A，et al.Effect of process parameters on the residual stresses in AA5083-H321friction stir welds［J］.Materials Science and Engineering：A，2009，501：119-124.

［7］孫占國，李光，佟建華，等.大厚度飛機(jī)鋁合金攪拌摩擦焊性能研究［J］.航空制造技術(shù)，2009，22：68-71.

［8］張津，高振桓，牟建雷，等.晶體材料內(nèi)部殘余應(yīng)力衍射法無損檢測(cè)的研究進(jìn)展［J］.理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2010，46（11）：695-700.

［9］鄭林，張津，何長光，等.短波長X射線衍射無損測(cè)定鋁板內(nèi)部殘余應(yīng)力［J］.精密成形工程，2011，3（2）：25-30.

［10］張津，李峰，鄭林，等.2024-T351鋁合金攪拌摩擦焊焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力測(cè)試［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（2）：28-34.

［11］ZHANG J，ZHENG L，GUO X B，et al.Residual stresses comparison determined by short-wavelength X-ray diffraction and neutron diffraction for 7075aluminum alloy［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2014，33：82-92.