根部缺陷對攪拌摩擦焊接頭拉伸性能影響

周平， 戴啟雷， 張?jiān)?/p>

(1.江西工程學(xué)院，江西 新余 338000；2. 華緯科技股份有限公司, 浙江 諸暨 311800；3.新余鋼鐵集團(tuán)有限公司, 江西 新余 338000)

0 前言

攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型焊接技術(shù)，具有變形小、焊后殘余應(yīng)力小和接頭質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋁合金結(jié)構(gòu)制造中[1-4]。隨著FSW技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，對FSW接頭穩(wěn)定性與可靠性的要求也相應(yīng)提高，研究人員首先關(guān)注的是FSW接頭可能產(chǎn)生的缺陷，其中FSW接頭根部缺陷對接頭服役性能產(chǎn)生明顯的不利影響[5-7]，如高速列車行業(yè)中，除對接頭拉伸性能有明確要求，對接頭背彎等也有較高要求，而相關(guān)研究不全面[8-10]。

基于以上現(xiàn)狀，文中對鋁合金FSW接頭根部缺陷開展研究，采用DIC觀察結(jié)合掃描電鏡觀察的方法，研究根部缺陷對鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸性能的影響，有利于促進(jìn)FSW技術(shù)的工程應(yīng)用，也有利于加深對相關(guān)科學(xué)問題的認(rèn)識。

1 試件制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋁合金材料采用6082-T6作為研究對象。該材料的化學(xué)成分為見表1。材料尺寸為300 mm×150 mm×5 mm，采用對接的FSW接頭連接方式，焊前預(yù)先用砂紙對表面進(jìn)行打磨。焊接攪拌頭材料是H13鋼，軸肩直徑20 mm，攪拌針采用根部直徑5 mm，長4.7 mm的四棱柱帶螺紋型。試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)見表2[11-16]。

焊后對所有參數(shù)的接頭用線切割垂直焊接方向切割出拉伸試樣。取樣位置避開焊縫的起始端和尾部各40 mm，取樣前接頭背面未經(jīng)任何處理。試樣垂直焊接方向截取，焊縫位于試樣中心部位。接頭拉伸試樣為狗骨形，平行段長度為100 mm，平行段寬度為25 mm，厚度5 mm，尺寸如圖1所示。拉伸試驗(yàn)在WDW-100E型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。對拉伸試樣在拉伸過程中進(jìn)行DIC觀察，以研究接頭根部缺陷在接頭拉伸過程中的變形行為。接頭的拉伸斷口形貌在JSM-6064LV型掃描電鏡上觀察。

表1 6082-T6化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 接頭拉伸試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭根部缺陷檢測

采用彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)接頭表面可能存在的缺陷。試驗(yàn)中將根部出現(xiàn)肉眼可見裂紋的FSW接頭定義為存在根部缺陷的接頭，把背彎180°接頭根部未出現(xiàn)任何裂紋的FSW接頭定義為無根部缺陷接頭。圖2為不同焊接工藝參數(shù)下接頭背彎試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖2中可以看出，在焊接速度小，轉(zhuǎn)速高的情況下，接頭可以避免根部缺陷的產(chǎn)生。隨著焊接速度增大或者轉(zhuǎn)速降低，接頭根部易產(chǎn)生缺陷。

圖2 不同參數(shù)下FSW接頭的彎曲行為統(tǒng)計(jì)圖

為更好地掌握6082-T6鋁合金FSW接頭根部缺陷隨焊接工藝參數(shù)的變化情況，選取旋轉(zhuǎn)速度為1 800 r/min，焊接速度分別為200 mm/min，300 mm/min，400 mm/min，600 mm/min時接頭的彎曲情況進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)焊接速度為200 mm/min時，從圖3a中可以看出接頭彎曲到180°無裂紋，表明原始接頭根部無缺陷，接頭根部實(shí)現(xiàn)了很好的固態(tài)連接，接頭抗背彎能力較好。當(dāng)焊接速度增加到300 mm/min時，從圖3b中可以看出接頭背部在彎曲到180°時焊縫方向出現(xiàn)了肉眼可見的裂紋，表明根部存在缺陷。而繼續(xù)增大焊接速度到400 mm/min和600 mm/min時，從圖3c，圖3d中可以看出接頭背部在沒彎到180°前就出現(xiàn)了深度和寬度均較大的裂紋。從上述結(jié)果可以看出，在其它工藝參數(shù)固定的條件下，隨著焊接速度的增大，接頭根部產(chǎn)生缺陷的傾向變大，缺陷嚴(yán)重情況也增加。

圖3 典型參數(shù)接頭背彎性能隨焊接速度的變化

2.2 接頭根部缺陷對拉伸性能影響

根據(jù)FSW接頭背彎檢測結(jié)果，選取具有代表性的3個參數(shù)的接頭作為研究對象，ω=1 800 r/min，v=200 mm/min，300 mm/min，600 mm/min，對接頭拉伸斷裂行為進(jìn)行分析。各參數(shù)下不同時刻的DIC結(jié)果如圖4～圖6所示。

2.2.1典型參數(shù)接頭拉伸斷裂行為

圖4為ω=1 800 r/min，v=200 mm/min參數(shù)下接頭不同時刻的DIC結(jié)果。從圖4可以看出這一根部無缺陷的接頭t=60 s，70 s，166 s時刻拉伸應(yīng)變結(jié)果，在整個拉伸過程中，主應(yīng)變主要分布在接頭的熱影響區(qū)部位，熱影響區(qū)為接頭的薄弱區(qū)，隨著拉應(yīng)力的逐漸增加，在斷裂前，熱影響區(qū)局部區(qū)域最高應(yīng)變可達(dá)37.4%，接頭的最終斷裂位置位于熱影響區(qū)。`

圖5為ω=1 800 r/min，v=300 mm/min接頭不同時刻的DIC結(jié)果。從圖5可以看出，雖然接頭在該參數(shù)條件下通過彎曲表明其根部存在缺陷，但從t=60 s，70 s和166 s時刻接頭拉伸應(yīng)變結(jié)果來看，接頭在整個拉伸過程中，其主應(yīng)變?nèi)灾饕植荚跓嵊绊憛^(qū)部位，斷裂前熱影響區(qū)局部最大應(yīng)變值達(dá)39.7%，在整個拉伸過程中，在接頭根部有缺陷部位沒有產(chǎn)生顯著的應(yīng)變，從斷裂前的宏觀照片里可見，接頭斷裂前在根部有缺陷的地方也沒有發(fā)現(xiàn)任何的微裂紋出現(xiàn)，接頭最終的拉伸斷裂位置仍位于熱影響區(qū)。

圖4 ω=1 800 r/min，v=200 mm/min接頭的DIC結(jié)果

圖5 ω=1 800 r/min，v=300 mm/min接頭的DIC結(jié)果

圖6 ω=1 800 r/min，v=600 mm/min接頭的DIC結(jié)果

當(dāng)焊接速度繼續(xù)增大時，根部缺陷嚴(yán)重性增加，拉伸過程中接頭行為出現(xiàn)明顯變化。圖6為ω=1 800 r/min，v=600 mm/min參數(shù)下接頭不同時刻的DIC結(jié)果。從圖6可以看出，當(dāng)t=60 s時，在接頭根部區(qū)域已發(fā)生了較小的應(yīng)變現(xiàn)象，而熱影響區(qū)部位沒有明顯的應(yīng)變現(xiàn)象。隨著拉伸過程的進(jìn)行，在t=70 s時，在接頭背面的中間部位出現(xiàn)了一段白色區(qū)域，而在白色區(qū)域左右兩端可見明顯的應(yīng)變，該白色區(qū)域是由于該部位表面有微裂紋出現(xiàn)而導(dǎo)致主應(yīng)變無法捕捉到。隨著拉應(yīng)力的逐漸增加，已形成的微裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)t=138 s時，從斷裂前根部區(qū)域的宏觀照片可見，缺陷已發(fā)生了明顯的擴(kuò)展并貫穿于整個接頭根部。由于缺陷的擴(kuò)展導(dǎo)致在斷裂前的主應(yīng)變分布圖上出現(xiàn)了較寬的白色區(qū)域，而無法觀察到斷裂前焊縫根部區(qū)域的應(yīng)變分布情況，但是從圖6中可以知道：在拉伸過程中，會首先在接頭根部缺陷處形成裂紋，隨著拉伸載荷的增加，根部缺陷不斷沿試件厚度方向擴(kuò)展，表現(xiàn)為所觀察的平面上裂紋寬度增加，缺陷向試件厚度方向的擴(kuò)張導(dǎo)致焊核區(qū)的承載力不斷降低，最終導(dǎo)致拉伸斷裂位置位于焊核區(qū)。同時從圖6中可以看出在拉伸過程中熱影響區(qū)也發(fā)生了變形，但是熱影響區(qū)的應(yīng)變大小約為9.2%，明顯低于w為1 800 r/min，v為200 mm/min和300 mm/min時接頭熱影響區(qū)所對應(yīng)的應(yīng)變值。

2.2.2典型參數(shù)接頭的拉伸斷口形貌

對3種典型接頭的拉伸斷口進(jìn)行了掃描電鏡觀察(SEM)。圖7為典型參數(shù)接頭拉伸斷口形貌，其所對應(yīng)的斷裂位置均在熱影響區(qū)。可以看出，2個參數(shù)下的接頭拉伸斷口形貌均為韌窩狀斷口，具有較好的延展性。

對于ω=1 800 r/min，v=600 mm/min的接頭來說，接頭根部缺陷的存在顯著降低了拉伸性能，在拉伸過程中裂紋首先在接頭根部缺陷處形成并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生在接頭的焊核區(qū)，為更深入了解接頭根部缺陷處裂紋的形成和擴(kuò)展過程，對接頭根部缺陷處的斷口形貌進(jìn)行了觀察。圖8為ω=1 800 r/min，v=600 mm/min接頭根部附近的拉伸斷口形貌。圖8a為根部區(qū)域斷口低倍放大后的形貌，可以看出從斷口的底到上部的形貌明顯不同，分別劃分為b，c，d區(qū)域，對這3個區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行放大，分別如圖8b～圖8d所示。從圖8b中可以看出，在接頭底部區(qū)域的斷口表面非常平坦和光滑，平坦區(qū)距離底面的高度約580 μm，拉伸過程中裂紋在平坦區(qū)的擴(kuò)展阻力非常小，平坦區(qū)內(nèi)沒有明顯的塑性變形現(xiàn)象，在此區(qū)域材料沒有實(shí)現(xiàn)良好的固態(tài)冶金結(jié)合。從圖8c中可以看出隨著距離底面的距離的增加，存在一個過渡區(qū)，在過渡區(qū)內(nèi)斷口形貌主要為臺階狀，具有脆性的斷裂形貌特征，但是在臺階上分布有非常細(xì)小的韌窩形態(tài)，表明該區(qū)發(fā)生了一定的塑性變形行為。而進(jìn)一步向上擴(kuò)張，進(jìn)入焊核區(qū)后，從圖8d中可以看出焊核區(qū)斷口形貌主要為均勻分布的韌窩，韌窩的深度和直徑都比較大，具有很好的塑性和變形抗力。

圖7 典型參數(shù)接頭拉伸斷口形貌

圖8 ω=1 800 r/min，v=600 mm/min時接頭的拉伸斷口形貌

從上述過渡區(qū)到焊核區(qū)中的斷口形貌變化來看，在過渡區(qū)雖然宏觀上表現(xiàn)為脆性的臺階狀斷口，但是在臺階面上分布有淺而小的韌窩，具有細(xì)小的韌窩形態(tài)并不是因?yàn)檫^渡區(qū)的塑性低，而是由于過渡區(qū)材料的不完全連接造成的。綜上分析可以看出當(dāng)焊接速度為600 mm/min，隨著距離接頭根部底面距離的增加，根部材料的連接狀態(tài)為沒有實(shí)現(xiàn)固態(tài)連接過渡到不完全連接狀態(tài)再到完全連接。

3 結(jié)論

(1)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭隨著焊接速度增大，根部缺陷嚴(yán)重增加，接頭根部缺陷的存在顯著降低了拉伸性能，拉伸過程中接頭行為出現(xiàn)明顯變化。

(2)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭由于根部缺陷的存在，導(dǎo)致了焊核區(qū)的承載能力降低，而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。拉伸斷口形貌為臺階狀，具有脆性的斷裂形貌特征，由于過渡區(qū)材料不完全連接，斷口形貌在臺階面上分布有淺而小的韌窩，具有細(xì)小的韌窩形態(tài)。

(3)根部缺陷受工藝參數(shù)影響較大，在較大的轉(zhuǎn)速焊速比下接頭可避免根部缺陷的產(chǎn)生，隨著焊接速度增大，接頭根部容易產(chǎn)生缺陷且缺陷嚴(yán)重情況也會增加。