超聲沖擊對(duì)高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭疲勞機(jī)制影響的研究進(jìn)展

李 輝，付 磊,2，林 莉，黃新杰，羅云蓉，李秀蘭，范 琪，諶理飛

(1.四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川輕化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)技術(shù)是20世紀(jì)90年代英國(guó)焊接研究所提出的一種固相連接新技術(shù)[1]。其焊接過程可簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)、插入、塑化、焊接。由于FSW杰出的焊接能力，使鋁、鎂基輕合金的連接方式發(fā)生了革命性變化，被迅速應(yīng)用到航空航天工業(yè)，解決了高強(qiáng)鋁合金使用常規(guī)焊接方法難焊接的瓶頸問題。利用FSW代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化生產(chǎn)理念。經(jīng)過發(fā)展，F(xiàn)SW對(duì)于異種材料在非常規(guī)焊接環(huán)境下也得到應(yīng)用[2-4]。同時(shí)，超聲沖擊處理(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)作為一種表面后處理方式，能夠使焊接接頭表面硬化，有益殘余應(yīng)力增加，提高材料表面性能[5-6]。該工藝最早被蘇聯(lián)用于改善核潛艇表面性能，進(jìn)而提高核潛艇疲勞壽命[7]。由于其低成本、高效能等特點(diǎn)，從20世紀(jì)80年代起，相關(guān)研究院及高校研究人員開始探究超聲沖擊對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響機(jī)制以及超聲沖擊材料表面納米化的研究[8-12]。其中Panin A V等[13]采用不同的超聲和熱處理組合對(duì)鐵素體-馬氏體EK-181鋼(Fe-12Cr-2W-V-Ta-B-C)進(jìn)行處理并對(duì)組織和表層相組成進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：只有在淬火和時(shí)效的過程中進(jìn)行超聲沖擊處理，才會(huì)在碳化釩顆粒晶界處析出納米晶α相結(jié)構(gòu)；此外，中間超聲沖擊處理對(duì)單軸拉伸試樣的屈服極限提高最大。Auezhan Amanov等[14]進(jìn)一步研究顯示超聲納米晶表面改性能夠使AZ91D鎂合金表層晶粒尺寸達(dá)到39 nm，晶粒尺寸隨著表層深度增加而增大，且經(jīng)處理的試樣表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能，表面摩擦性能提升20%～30%。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果豐碩，基于此本文作者主要對(duì)FSW技術(shù)原理及UIT裝置原理、UIT對(duì)高強(qiáng)鋁合金FSW接頭疲勞性能影響機(jī)制、超聲輔助攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響、數(shù)值模擬與疲勞壽命特性曲線在研究過程中的應(yīng)用等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要概括，并展望對(duì)高強(qiáng)鋁合金FSW接頭疲勞機(jī)制影響的進(jìn)一步研究方向。

1 攪拌摩擦焊技術(shù)原理與超聲沖擊裝置原理

1.1 攪拌摩擦焊接技術(shù)原理

攪拌摩擦焊接是一種通過具有特殊設(shè)計(jì)攪拌針和軸肩對(duì)焊接件進(jìn)行連接的非消耗旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中最主要的兩個(gè)過程是工件的加熱塑化與材料的流動(dòng)形成接頭。加熱塑化的過程是通過攪拌針與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料塑化，通過軸肩的旋轉(zhuǎn)下壓與平移運(yùn)動(dòng)使塑化材料流動(dòng)最后形成焊接接頭，F(xiàn)SW示意圖如圖1所示[15-16]。

1.2 超聲沖擊處理裝置原理

UIT裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，主要由手持工具和裝有超聲波發(fā)射器以及控制面板的電源組成，其中發(fā)射頻率可變換，沖擊頭可根據(jù)待加工表面的不同而選擇不同的樣式，UIT示意圖如圖2所示[17-19]。相比傳統(tǒng)表面處理方式，UIT提高表面性能效果顯著且優(yōu)勢(shì)明顯，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始逐步探究UIT對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響機(jī)制[20-22]。

2 超聲沖擊對(duì)高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭疲勞性能影響機(jī)制

2.1 改善接頭應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力

通過FSW得到的焊接接頭存在殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此為了提高FSW接頭的疲勞性能，必須改善接頭的殘余應(yīng)力。UIT處理能夠增加焊縫的位錯(cuò)密度，促進(jìn)焊縫中位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫屈服應(yīng)力和顯微硬度的增加[24]；同時(shí)UIT使材料表層產(chǎn)生有益殘余壓應(yīng)力可有效降低試樣表面最大拉應(yīng)力，從而降低裂紋從表面形核的可能性，提高疲勞壽命。天津大學(xué)楊秋林[25]測(cè)定得知UIT在7075-T651鋁合金FSW接頭表面產(chǎn)生約為100 N/mm2的橫向壓縮殘余應(yīng)力，在距表層300 μm的位置，產(chǎn)生了大約217.3 N/mm2的壓縮殘余應(yīng)力，隨著距表層的深度增加，在距表層800 μm以及更深的位置，壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力。由此可知，UIT能夠有效改善焊接接頭表層殘余應(yīng)力，產(chǎn)生有益壓縮應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，使材料表面應(yīng)力均勻化，從而延緩裂紋萌生，提高7075-T651鋁合金FSW接頭疲勞性能。同樣，經(jīng)UIT后的Q370qE鋼焊接接頭左右焊趾處的殘余壓應(yīng)力提升大約8～12倍，且焊趾區(qū)過渡半徑增大1.5倍，從而應(yīng)力集中系數(shù)降低，提高了焊接接頭的抗疲勞性能[26]。A.Berg-Pollack等[27]的研究表明,UIT能使鑄造鋁合金表面產(chǎn)生塑性變形并產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。

2.2 改善材料微觀組織

多數(shù)情況下，由于表層材料的破壞導(dǎo)致構(gòu)件的失效，所以適當(dāng)?shù)牟牧媳砻娓男苑椒艽蠓岣卟牧细黜?xiàng)性能。UIT作為一種新型表面處理方式，其實(shí)現(xiàn)材料表面納米化備受廣大研究人員的關(guān)注[28-30]。由于鎂合金和鋁合金有極其相似的焊接特性，都屬于難焊接的材料，華東交通大學(xué)熊磊[31]采用UIT處理MB8鎂合金攪拌摩擦焊接接頭，得知由于位錯(cuò)的產(chǎn)生與纏結(jié)導(dǎo)致塑性變形，隨著UIT能量的不斷增大，晶粒細(xì)化效果越明顯，且部分晶粒尺寸小于100 nm，實(shí)現(xiàn)UIT表面納米化。同樣，超聲沖擊如何改善高強(qiáng)鋁合金焊接接頭微觀組織以及超聲輔助攪拌摩擦焊對(duì)焊接區(qū)晶粒尺寸、焊縫表面紋理以及焊接接頭性能影響機(jī)理也受到廣泛研究[32-37]。其中Z.M.Li等[38]通過對(duì)比觀察2A12鋁合金焊接頭得知，如圖3a為未經(jīng)UIT的鑄態(tài)枝晶結(jié)構(gòu)，微觀組織形態(tài)表現(xiàn)為晶粒粗大、晶界明顯且?guī)в写罅亢附邮湛s缺陷；經(jīng)UIT后距焊接接頭表層大約100 μm的亞表層晶粒產(chǎn)生明顯的塑性變形和拉伸伸長(zhǎng)如圖3b；隨著厚度增加，如圖3c所示，在距表層大約150 μm～200 μm的晶粒組織細(xì)密，且宏觀顆粒形態(tài)不明顯。由此可見，UIT能夠使接頭表面產(chǎn)生較大彈塑性變形，并細(xì)化晶粒同時(shí)減少焊接缺陷，提升疲勞性能。

UIT能夠使沖擊表面層以及內(nèi)層產(chǎn)生額外的變形，從而降低焊接接頭表面粗糙度，減小裂紋萌生的概率，對(duì)于UIT鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在超高周疲勞狀態(tài)下的研究，西華大學(xué)李雪等[39]認(rèn)為疲勞裂紋萌生由試樣表面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移的主要原因是超聲沖擊致使表層晶粒細(xì)化，形成一層致密強(qiáng)化層，裂紋萌生及擴(kuò)展阻力有效提升，進(jìn)而提升疲勞強(qiáng)度。

2.3 不同超聲沖擊參數(shù)對(duì)FSW接頭疲勞性能的影響

隨著工程實(shí)際的需要，UIT處理技術(shù)在各種制造工藝中都被廣泛應(yīng)用與研究[40-41]。在焊接領(lǐng)域，研究人員將UIT應(yīng)用于攪拌摩擦焊接技術(shù)。其中，華東交通大學(xué)魏康等[42]采用不同超聲沖擊參數(shù)處理MB8鎂合金焊接接頭，并測(cè)試其變形厚度層及其抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。由圖4a、b、c中箭頭長(zhǎng)度可知，在保持沖擊電流相同的情況下，UIT處理時(shí)間依次為2 min、4 min、6 min時(shí)，其塑性變形層厚度逐漸增加，且因?yàn)闆_擊過程中的晶?；茖?dǎo)致變形層厚度不均勻。對(duì)拉伸斷口形貌進(jìn)一步分析得知，圖5所示分別為沖擊前與沖擊4 min、6 min的焊接接頭拉伸斷口形貌，分析可知UIT時(shí)間的變化并不會(huì)改變焊接接頭斷裂機(jī)理。也有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)證明在相同的沖擊力和沖擊次數(shù)下，累積應(yīng)變隨沖擊頻率的增大而增大[24]。

S Gao等[43]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，超聲波振動(dòng)的使用能夠增強(qiáng)AA2024-T3鋁合金攪拌摩擦焊接接頭攪拌區(qū)和變形區(qū)組織性能；因?yàn)槌暡ㄕ駝?dòng)改善了塑性區(qū)的流動(dòng)性，降低向下的物料流動(dòng)應(yīng)力；同時(shí)能夠使析出相Al2CuMg均勻分布，從而改善其力學(xué)性能；從EBSD分析結(jié)果可知，大角度晶界(HAB)比例的增加，使得被焊工件在超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊工藝(UVeFSW)過程中位錯(cuò)密度增加并在焊縫區(qū)引入額外的應(yīng)變，這有利于亞晶粒的旋轉(zhuǎn)，從而改善重結(jié)晶過程促使晶粒細(xì)化，這無疑能改善AA2024-T3攪拌摩擦焊接接頭疲勞性能。Masoud Ahmadnia等[44]進(jìn)一步探究了超聲輔助攪拌摩擦焊工藝焊接AA6061鋁合金不同超聲輔助攪拌摩擦焊接參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響，得到了特定性能對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)。

3 數(shù)值模擬在研究過程中的應(yīng)用

有限元數(shù)值模擬研究方法近年來發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活各個(gè)領(lǐng)域[45]。由于其擁有強(qiáng)大的計(jì)算仿真能力，也被運(yùn)用到焊接領(lǐng)域溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及熱力耦合數(shù)值模擬，因?yàn)榇蠖鄶?shù)焊接件體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)測(cè)量手段難以得到其應(yīng)力場(chǎng)以及溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)賈翠玲等[46-48]利用abaqus有限元軟件對(duì)UIT處理7A52鋁合金焊接應(yīng)力的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，基于彈塑性有限元法，建立UIT模型、7A52鋁合金焊接模型，對(duì)比模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，UIT處理能明顯改善焊縫中心殘余拉應(yīng)力，焊接接頭殘余壓應(yīng)力隨著沖擊頻率增加而小幅度增加，相比橫向應(yīng)力，UIT對(duì)縱向應(yīng)力改善更為顯著；作者采用數(shù)值模擬方法進(jìn)一步探究了彈性模量E、泊松比υ以及靜態(tài)屈服強(qiáng)度Rp0.2對(duì)焊后UIT處理應(yīng)力應(yīng)變的影響，結(jié)果表明，三者影響程度各不相同，其中，沖擊處最大壓應(yīng)力隨著E的增大而增大，x方向壓應(yīng)力隨著v增加而增加。UIT改善焊后殘余應(yīng)力是提高疲勞性能的重要原因，陳健等[49]運(yùn)用ansys有限元軟件對(duì)有無殘余應(yīng)力的6061鋁合金焊接接頭進(jìn)行UIT過程的數(shù)值模擬，建立了焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模型與UIT數(shù)值模型，模擬結(jié)果顯示，沖擊初始階段，未產(chǎn)生塑性變形；沖擊15 μs～25 μs，表面塑性變形量隨著距沖擊中心的距離增大而增大；沖擊25 μs之后，UIT使距離沖擊表面0.6 mm的位置產(chǎn)生最大塑性應(yīng)變，并非沖擊中心表面；對(duì)比分析載荷位移0.4 mm時(shí)的模擬值與實(shí)測(cè)值可知，盡管沖擊后殘余應(yīng)力二者相差甚大，但殘余應(yīng)力差值Δσ相當(dāng)接近，所以UIT模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，表明UIT能改善殘余應(yīng)力。

4 應(yīng)力-壽命曲線及壽命預(yù)測(cè)在疲勞研究過程中的探究

疲勞破壞是工程中最常見的失效模式，所以疲勞行為一直是工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，工程上將應(yīng)力比R=-1的對(duì)稱恒幅循環(huán)載荷下獲得的應(yīng)力-壽命關(guān)系稱為材料的基本疲勞性能曲線[50]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究[51-53]。關(guān)于UIT對(duì)2A12鋁合金焊接接頭疲勞特性曲線的影響，李占明等[54]采用最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如圖6a所示的擬合直線，分析可知：焊接接頭循環(huán)次數(shù)隨應(yīng)力水平的降低而增大，對(duì)于同一疲勞循環(huán)周次，UIT后試樣的疲勞強(qiáng)度明顯高于未UIT的接頭試樣的。A.G.Grigoryants等[19]的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6b所示，得知經(jīng)UIT的焊接接頭疲勞強(qiáng)度大幅提升，幾乎與母材的相同。

吳明孝[55]進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了存活率50%的中值疲勞壽命曲線和存活率95%、置信度75%的安全疲勞壽命曲線，通過對(duì)比兩種情況下的疲勞壽命擬合曲線與母材疲勞壽命曲線可知，超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性最大，在50%存活率下的疲勞壽命分散性達(dá)到母材的50%，且疲勞壽命大幅提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

自攪拌摩擦焊接與超聲沖擊處理技術(shù)出現(xiàn)至今，國(guó)內(nèi)外眾多科研工作者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究；其中包含超聲沖擊改善攪拌摩擦焊接接頭應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力，從而提升有效殘余壓應(yīng)力，降低裂紋萌生率；超聲沖擊實(shí)現(xiàn)表面納米化也逐步得到驗(yàn)證；以及不同超聲沖擊參數(shù)對(duì)攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的影響，數(shù)值模擬和疲勞特性曲線也被運(yùn)用于研究超聲沖擊對(duì)攪拌摩擦焊接接頭疲勞性能的影響，但是多數(shù)研究的重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)太少，仍需深入研究，根據(jù)研究進(jìn)展，作者認(rèn)為在以下方面還需要進(jìn)一步深入探究。

1)對(duì)于不同材料或者厚度的攪拌摩擦焊接頭，不同的超聲沖擊參數(shù)對(duì)接頭各項(xiàng)性能改善程度必定不同，所以仍需大量實(shí)驗(yàn)探究，以期得到不同攪拌摩擦焊接頭的最優(yōu)沖擊參數(shù)。并探究材料面對(duì)不同超聲沖擊參數(shù)時(shí)具體的微觀機(jī)理變化，進(jìn)一步研究對(duì)其疲勞性能的影響。

2)數(shù)值模擬技術(shù)在研究過程中已經(jīng)受到廣泛運(yùn)用，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但是由于計(jì)算機(jī)軟件以及模擬模型的限制，現(xiàn)階段的模擬辦法大都將整個(gè)沖擊過程的能量一次采用計(jì)算機(jī)加載到焊接接頭，最終模擬結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)較大誤差，所以，需要建立完善的模擬模型將每一次沖擊過程都模擬出來，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到精確的結(jié)果。

3)超聲沖擊處理攪拌摩擦焊接接頭對(duì)其耐腐蝕性能的具體影響機(jī)理有待研究，進(jìn)一步完善和建立相關(guān)壽命預(yù)測(cè)模型也是未來一個(gè)重要的研究方向；此外，需要結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、柔性制造技術(shù)、智能控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行智能超聲沖擊設(shè)備的開發(fā)。