鋁合金攪拌摩擦焊疲勞強(qiáng)度研究

明德涵 王召勇

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

自1991年英國(guó)焊接所（TWI）發(fā)明攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）以來，攪拌摩擦焊作為1種固態(tài)焊接方法，具有綠色、環(huán)保、接頭強(qiáng)度高以及焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，被大量應(yīng)用于航空航天、船舶、軌道交通等領(lǐng)域[1]。同時(shí)，在這些行業(yè)中，鋁合金因?yàn)槠渚哂斜葟?qiáng)度高、塑性好和耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也被大量使用。

鋁合金的廣泛應(yīng)用使其連接方式的選取成為熱點(diǎn)問題，而目前金屬材料的連接方式主要有鉚接和焊接2種形式。與鉚接相比，攪拌摩擦焊既節(jié)省了鉚釘安裝的時(shí)間，又減輕了結(jié)構(gòu)重量，對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。同時(shí)，攪拌摩擦焊作為1種固態(tài)塑性連接方法，可以避免傳統(tǒng)焊接方式帶來的氣孔、夾渣等缺陷，焊后接頭殘余應(yīng)力較低、變形較小，具有較好的拉伸、彎曲和力學(xué)性能[2]。因此，作為1種新興的連接方式，攪拌摩擦焊在金屬材料的連接方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，受到世界工業(yè)國(guó)家的重視。

到目前為止，對(duì)于攪拌摩擦焊的研究主要集中在工藝參數(shù)、材料和力學(xué)性能方面，對(duì)于攪拌摩擦焊搭接接頭的疲勞性能研究較少。因此，該文通過拉伸疲勞試驗(yàn)，得到了鋁合金攪拌摩擦焊和點(diǎn)焊試驗(yàn)件的疲勞性能，分析得到鋁合金攪拌摩擦焊和點(diǎn)焊試驗(yàn)件的平均疲勞極限，為鋁合金攪拌摩擦焊的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)件所用材料為2A12鋁合金，抗拉強(qiáng)度為390 MPa。試驗(yàn)件主要包括攪拌摩擦焊和點(diǎn)焊2種連接形式，每種連接形式各3件。所有試驗(yàn)均在室溫下MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上完成。

如圖1所示，采用攪拌摩擦焊設(shè)備將兩塊鋁合金薄板以搭接方式焊接在一起，圖中黑色區(qū)域?yàn)楹缚p，焊縫長(zhǎng)度為120 mm，搭接寬度為18 mm，倒角半徑為120 mm，試驗(yàn)件寬度為288 mm，厚度為1.5 mm。如圖2所示，點(diǎn)焊試驗(yàn)件主要通過5個(gè)焊點(diǎn)將2塊搭接在一起的鋁合金薄板焊接在一起，焊點(diǎn)均勻分布，間距為26 mm，兩側(cè)焊點(diǎn)邊距為8 mm，其余尺寸與攪拌摩擦焊試驗(yàn)件一致。

為了保證試驗(yàn)不出現(xiàn)偏心情況，在試驗(yàn)件兩端加裝等厚度墊片保證試驗(yàn)件與連接夾具的中心線與試驗(yàn)機(jī)夾頭中心線一致，試驗(yàn)件加載方式如圖3所示，將試驗(yàn)件兩端通過夾具固定在試驗(yàn)機(jī)上，通過軸向拉伸方式施加載荷。

攪拌摩擦焊和點(diǎn)焊試驗(yàn)件疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)載荷為軸向正弦波加載，受拉為正，加載頻率為5 Hz。采用靜載±動(dòng)載的交變載荷形式加載，攪拌摩擦焊試驗(yàn)件初級(jí)載荷為（1 472±1 216） N，點(diǎn)焊試驗(yàn)件初級(jí)載荷為（1 700±1 400） N。試驗(yàn)每進(jìn)行30萬次，如果試驗(yàn)件未出現(xiàn)裂紋，則靜動(dòng)載荷按前一級(jí)升級(jí)20%后繼續(xù)試驗(yàn)，以此類推，直至試驗(yàn)件出現(xiàn)裂紋或破壞，或者試驗(yàn)總次數(shù)達(dá)到120萬次，可以終止試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中定期檢查試驗(yàn)件，出現(xiàn)裂紋則停止試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)件的破壞形式及對(duì)應(yīng)載荷。

圖1 攪拌摩擦焊試驗(yàn)件

圖2 點(diǎn)焊試驗(yàn)件

圖3 試驗(yàn)加載方式示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過拉伸疲勞試驗(yàn)，得到了攪拌摩擦焊試驗(yàn)件和點(diǎn)焊試驗(yàn)件在不同交變載荷下發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷級(jí)數(shù)和循環(huán)次數(shù)。攪拌摩擦焊試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表1，點(diǎn)焊試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，前2件攪拌摩擦焊試驗(yàn)件加載到第三級(jí)載荷時(shí)開始出現(xiàn)裂紋，且循環(huán)次數(shù)分別為59 131次和101 825次；第3件試驗(yàn)件加載到第二級(jí)載荷開始出現(xiàn)裂紋，循環(huán)次數(shù)為237 364次。而3件點(diǎn)焊試驗(yàn)件均加載到第四級(jí)載荷才出現(xiàn)裂紋，循環(huán)次數(shù)分別為29 039次、27 994次和36 797次。通過對(duì)比試驗(yàn)件出現(xiàn)裂紋時(shí)的載荷級(jí)數(shù)和其對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，不同攪拌摩擦焊試驗(yàn)件之間發(fā)生疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)差異較大，而點(diǎn)焊試驗(yàn)件之間發(fā)生疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)較小。這一現(xiàn)象表明，攪拌摩擦焊試驗(yàn)件的疲勞性能較點(diǎn)焊試驗(yàn)件更為分散。

表1 攪拌摩擦焊疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表2 點(diǎn)焊疲勞試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，對(duì)比攪拌摩擦焊和點(diǎn)焊試驗(yàn)件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷大小可以發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊試驗(yàn)件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷為（2 119.7±1 751） N和（1 766.4±1 459.2） N，點(diǎn)焊試驗(yàn)件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷為（2 937.6±2 419.2） N。已知靜載和動(dòng)載，則可以通過下式求得最大載荷和最小載荷，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：Sm為靜載，Sa為動(dòng)載，Smax為最大載荷，Smin為最小載荷，r稱為循環(huán)特征或應(yīng)力比[3]。因此，可以求得攪拌摩擦焊試驗(yàn)件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大載荷為3 870.7 N和3 225.6 N，應(yīng)力比為0.1。而點(diǎn)焊試驗(yàn)件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大載荷為5 356.8 N，應(yīng)力比為0.1。在相同應(yīng)力比下，攪拌摩擦焊試驗(yàn)件發(fā)生疲勞破壞的最大載荷小于點(diǎn)焊試驗(yàn)件。

攪拌摩擦焊試驗(yàn)件和點(diǎn)焊試驗(yàn)件拉伸疲勞試驗(yàn)裂紋分布如圖4和圖 5所示，從裂紋形貌中可以發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊試驗(yàn)件裂紋均出現(xiàn)在焊縫上靠近焊縫邊緣的位置，并且裂紋擴(kuò)展沿焊縫方向，與載荷方向垂直，裂紋形貌光滑平直。而點(diǎn)焊試驗(yàn)件裂紋均出現(xiàn)在焊點(diǎn)上，貫穿整個(gè)焊點(diǎn)，各個(gè)焊點(diǎn)之間的裂紋相對(duì)獨(dú)立，裂紋形貌蜿蜒曲折。

考慮到2種焊接工藝的差別，攪拌摩擦焊通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件表面接觸，焊縫區(qū)發(fā)生塑性變形，金屬擠壓流動(dòng)轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散再結(jié)晶形成焊縫[4]；而點(diǎn)焊則通過電阻熱熔化金屬，形成焊點(diǎn)。因此，攪拌摩擦焊在搭接面生成完整焊縫，材料性質(zhì)分布均勻，裂紋光滑連續(xù)；而點(diǎn)焊試驗(yàn)件焊點(diǎn)與母材的強(qiáng)度差異導(dǎo)致在焊點(diǎn)處發(fā)生明顯的應(yīng)力集中，造成裂紋首先出現(xiàn)在焊點(diǎn)上，裂紋形貌曲折且分布不均勻，有的焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋，有的焊點(diǎn)保持完整。因此，可以認(rèn)為攪拌摩擦焊試驗(yàn)件焊縫處性能分布比點(diǎn)焊試驗(yàn)件焊點(diǎn)性能更均勻，裂紋擴(kuò)展也就更加平滑。

以上分析表明，攪拌摩擦焊不同試驗(yàn)件之間疲勞性能分散性大于點(diǎn)焊試驗(yàn)件，造成發(fā)生疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)差異較大；但是對(duì)于同一試驗(yàn)件，攪拌摩擦焊焊縫處的材料性能分布均勻，疲勞破壞時(shí)裂紋擴(kuò)展平滑，證實(shí)了攪拌摩擦焊工藝能夠有效避免點(diǎn)焊過程中造成的氣孔、夾渣等缺陷[2]。

2.2 疲勞特性計(jì)算

疲勞特性采用下述S-N曲線表示，如公式（4）所示。

當(dāng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果只有一級(jí)載荷時(shí)，根據(jù)S-N特性曲線方程即可直接求得單個(gè)試驗(yàn)件的疲勞極限。當(dāng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果含有多級(jí)載荷時(shí)，單個(gè)試驗(yàn)件的疲勞極限采用Miner理論按下式迭代求解，如公式（5）所示。

圖4 攪拌摩擦焊裂紋示意圖

圖5 點(diǎn)焊試驗(yàn)件裂紋示意圖

由于疲勞極限較好地符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，因此平均疲勞極限及標(biāo)準(zhǔn)差分別按下述公式計(jì)算，如公式（6）所示。

2種焊接試驗(yàn)件材料均為2A12，材料參數(shù)見表3。

表3 S-N曲線參數(shù)

其中，D-表示試驗(yàn)件材料為鋁合金，破壞模式為無擦蝕。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，就可以通過公式（4）～公式（7）計(jì)算得到攪拌摩擦焊和點(diǎn)焊試驗(yàn)件的平均疲勞極限和子樣標(biāo)準(zhǔn)差。

3件攪拌摩擦焊試驗(yàn)件疲勞極限均小于點(diǎn)焊試驗(yàn)件，并且攪拌摩擦焊試驗(yàn)件的平均疲勞極限為1 735.0 N，點(diǎn)焊試驗(yàn)件平均疲勞極限為2 423.7 N，具體情況見表4、表5。攪拌摩擦焊試驗(yàn)件平均疲勞極限低于點(diǎn)焊試驗(yàn)件，為點(diǎn)焊試驗(yàn)件的71.6%。同時(shí)，攪拌摩擦焊試驗(yàn)件子樣標(biāo)準(zhǔn)差為0.034，點(diǎn)焊試驗(yàn)件子樣標(biāo)準(zhǔn)差為0.002。攪拌摩擦焊試驗(yàn)件子樣標(biāo)準(zhǔn)差高于點(diǎn)焊試驗(yàn)件，這就表明不同攪拌摩擦焊試驗(yàn)件之間的疲勞性能較點(diǎn)焊試驗(yàn)件更為分散。

表4 攪拌摩擦焊疲勞極限

表5 點(diǎn)焊試驗(yàn)件疲勞極限

已有研究表明，攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度受攪拌頭形狀、尺寸以及工藝參數(shù)影響[4-5]，因此，在后續(xù)的研究中，還可以通過優(yōu)化攪拌頭形狀、軸肩尺寸以及攪拌頭轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)增強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能。

3 結(jié)語

該文通過對(duì)攪拌摩擦焊和點(diǎn)焊試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)，得到了鋁合金攪拌摩擦試驗(yàn)件和點(diǎn)焊試驗(yàn)件的平均疲勞極限。結(jié)果表明，攪拌摩擦焊可以有效避免傳統(tǒng)焊接中產(chǎn)生的氣孔、夾渣等缺陷，同一試驗(yàn)件接頭的力學(xué)性能分布均勻；攪拌摩擦焊試驗(yàn)件的平均疲勞極限低于點(diǎn)焊試驗(yàn)件，為點(diǎn)焊試驗(yàn)件的71.6%，并且攪拌摩擦焊平均疲勞極限的子樣標(biāo)準(zhǔn)差高于點(diǎn)焊，不同試驗(yàn)件之間疲勞極限的分散性更大。