鋁合金型材對(duì)搭接攪拌摩擦焊接頭中Hook缺陷的安全評(píng)定

馮浩 劉澤鵬 張紅 閆志峰 董鵬

摘要：基于斷裂力學(xué)理論對(duì)鋁合金型材對(duì)搭接攪拌摩擦焊接頭中Hook缺陷進(jìn)行安全評(píng)定，并通過疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。金相顯示Hook缺陷的本質(zhì)是搭接面在攪拌頭劇烈攪拌作用下向上遷移的結(jié)果，顯現(xiàn)為裂紋的形式。將Hook缺陷歸一化為延伸到焊縫內(nèi)部的單邊裂紋，裂紋擴(kuò)展速率線性擬合得出應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度門檻值ΔKth為2.509 MPa·m1/2。依據(jù)裂紋擴(kuò)展條件，得到評(píng)定Hook缺陷疲勞擴(kuò)展的缺陷尺寸-應(yīng)力幅關(guān)系曲線。疲勞試驗(yàn)結(jié)果與理論Hook缺陷臨界擴(kuò)展應(yīng)力幅值有一定的誤差，誤差平均值為9.4%，整體趨勢(shì)與理論曲線吻合度較好，可以將該理論公式應(yīng)用到Hook缺陷疲勞擴(kuò)展臨界應(yīng)力幅的預(yù)測(cè)中，對(duì)不同工作應(yīng)力幅下接頭中Hook缺陷進(jìn)行安全評(píng)定。

關(guān)鍵詞：鋁合金;對(duì)搭接攪拌摩擦焊;Hook缺陷;門檻值;臨界應(yīng)力幅

中圖分類號(hào)：TG457.14 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）04-0026-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.05

0 ? ?前言

6005A-T6鋁合金具有良好的強(qiáng)度、可成形性和耐腐蝕性能，因其擠壓成形性能優(yōu)異而被應(yīng)用于型材構(gòu)件的生產(chǎn)，是標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組列車車體型材的主要選擇。這種型材鋁合金的連接工藝主要包括鉚接、熔化焊、壓力焊等[1]，若進(jìn)行鉚接，可以保證連接強(qiáng)度，但是由于加入了除母材外的新材料，車身質(zhì)量增加，不利于輕量化。若進(jìn)行普通的熔化焊焊接，鋁合金大的線膨脹系數(shù)會(huì)帶來氣孔、夾渣及熱裂紋等缺陷，明顯降低接頭強(qiáng)度和服役下的疲勞性能。攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）作為一種新型固相連接技術(shù)，能較好地避免上述問題，可應(yīng)用于所有主要系列鋁合金的焊接，是鋁合金優(yōu)先選擇的焊接方法[2]。

使用單軸肩攪拌摩擦焊焊接型材構(gòu)件時(shí)，如采用對(duì)接形式，需要在背部增加支撐墊板，過程較為繁瑣且易導(dǎo)致焊接不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)了一種對(duì)搭接接頭形式[3]，型材自帶支撐搭接墊板。但由于搭接面過長(zhǎng)，在攪拌針的攪拌下，一部分搭接面焊接形成焊核區(qū)，一部分則不能完全焊接，被稱作Hook缺陷[4]（也稱吊鉤缺陷），減小了上板的有效焊接厚度，相當(dāng)于在攪拌區(qū)中形成了潛在的裂紋擴(kuò)展路徑[5]。目前一般認(rèn)為Hook缺陷是由氧化物和局部冶金區(qū)域組成，光鏡下呈現(xiàn)裂紋狀，缺陷的起始段一般為近似直線，尾部則既有向上偏移也有向下偏移[6]。Hook缺陷的幾何形狀隨焊接速度變化而變化，以較低的焊接速度向上偏轉(zhuǎn)到攪拌區(qū)中，后退側(cè)上的Hook缺陷在焊接速度較高時(shí)向下延伸到底部攪拌區(qū)[7]。另外，有學(xué)者建立了焊接參數(shù)與力學(xué)性能的數(shù)學(xué)關(guān)系，隨著攪拌針長(zhǎng)度的增加，接頭抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后提高的趨勢(shì)[8]。

目前的研究主要集中在Hook缺陷的形成規(guī)律和對(duì)常規(guī)力學(xué)性能的影響。Hook缺陷的存在對(duì)接頭的疲勞來說是一個(gè)大的安全隱患，為此文中通過光鏡觀察缺陷形貌并測(cè)量尺寸，通過裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)確定應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度門檻值，以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)對(duì)Hook缺陷疲勞行為進(jìn)行評(píng)定，最后通過脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，建立Hook缺陷焊接接頭安全評(píng)定方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為6005A-T6鋁合金型材，厚度16 mm，供貨狀態(tài)為固溶處理+人工時(shí)效，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

試驗(yàn)采用對(duì)搭接攪拌摩擦焊方式對(duì)6005A-T6鋁合金型材進(jìn)行焊接對(duì)搭接形式實(shí)物橫截面如圖1所示。焊接前使用砂紙打磨待焊焊縫兩側(cè)，并使用酒精擦拭，采用剛性?shī)A具將型材底部固定，保證焊接過程中焊縫兩側(cè)對(duì)齊，對(duì)搭接面緊密貼合，焊接速度300～600 mm/min，轉(zhuǎn)速400～700 r/min。

焊接完成后，沿垂直于焊縫方向線切割加工金相試樣、裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣（CT試樣）、疲勞試樣，銑去加強(qiáng)筋部分。金相試樣和疲勞試樣取樣位置如圖2所示，金相試樣經(jīng)過拋光和Keller試劑腐蝕后在LEICA DM2700M型顯微鏡下觀察缺陷形貌，裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)在PLG-200D高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 Hook缺陷微觀特征

Hook缺陷形貌如圖3所示。從接頭橫截面（見圖3a）可以明顯看到Hook缺陷的存在，但無法精確獲得缺陷尺寸信息。進(jìn)一步采用光學(xué)顯微鏡對(duì)缺陷進(jìn)行表征，拼接的放大100倍光鏡照片如圖3b所示，可以看出，Hook缺陷自搭接面邊緣開始，終止于熱機(jī)械影響區(qū)/焊核區(qū)邊界處，“ 鉤 ”朝上，Hook缺陷寬度從宏觀尺寸一直延伸到肉眼不可見的微觀尺寸（見圖3c），其尖端有鈍化特征（見圖3d），相比于尖裂紋，鈍化后的尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子下降，阻礙裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，對(duì)力學(xué)性能惡化的影響顯然要小;根據(jù)ISO 25239-5：2011攪拌摩擦焊 鋁 質(zhì)量檢驗(yàn)要求中對(duì)Hook缺陷尺寸測(cè)量的規(guī)定，圖中缺陷的尺寸為660 μm;可見Hook缺陷本質(zhì)上是未焊合形成的缺陷，顯現(xiàn)為裂紋形式，并且與原始搭接面有著密切關(guān)系：處于焊核區(qū)的搭接面在強(qiáng)烈的攪拌作用下消失，但在焊核區(qū)外，這些搭接面未能發(fā)生有效連接，只在焊接熱-力作用下產(chǎn)生變形，距離焊核區(qū)越近，向上彎曲變形程度越大，Hook缺陷的存在使得搭接部位和母材之間形成明顯的分界面，兩側(cè)的組織和成分不均勻且不相互結(jié)合。

2.2 含Hook缺陷接頭的疲勞評(píng)定

由上述分析可知，Hook缺陷本質(zhì)上是未焊合形成的缺陷，顯現(xiàn)為裂紋形式，對(duì)此，可以將其歸一化處理為從接頭表面一直延伸到焊縫內(nèi)部的單邊裂紋，動(dòng)載下容易在Hook缺陷尖端發(fā)生疲勞擴(kuò)展。因此，可以運(yùn)用斷裂力學(xué)理論依據(jù)裂紋擴(kuò)展速率中裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度門檻值，根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算式推導(dǎo)得出擴(kuò)展臨界應(yīng)力幅值公式，以裂紋不發(fā)生疲勞擴(kuò)展的條件進(jìn)行抗擴(kuò)展評(píng)定[9]。

對(duì)含Hook缺陷接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，Hook缺陷是沿著搭接面并向焊核區(qū)內(nèi)擴(kuò)展，故在裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)中CT試樣的缺口選取焊縫中偏向搭接面一側(cè)的位置，如圖4所示。

通過裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，可以得到裂紋擴(kuò)展速率的a-N曲線（見圖5），不論施加力的大小，擴(kuò)展后期斜率都大于前期，表明隨著裂紋的擴(kuò)展，擴(kuò)展速率逐漸增加，裂紋擴(kuò)展的狀態(tài)從穩(wěn)態(tài)逐漸變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)。對(duì)比三種施加力下的裂紋擴(kuò)展變化可以發(fā)現(xiàn)，施加力越大，裂紋的擴(kuò)展速率越快。

依據(jù)圖5的a-N曲線可以得到描述疲勞裂紋擴(kuò)展性能的da/dN-ΔK關(guān)系圖，如圖6所示，其中da/dN為裂紋擴(kuò)展速率，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度。將不同趨勢(shì)范圍內(nèi)的點(diǎn)線性擬合，可表示出三個(gè)階段，不同斜率的直線對(duì)應(yīng)裂紋擴(kuò)展的低速率階段、中速率階段和高速率階段。低速率區(qū)的線性擬合直線方程為：

da/dN=4.141 69×10-5ΔK-1.038 21×10-4 ? ? ? ? ?（1）

Paris公式擬合方程為：

da/dN=10-9.054（ΔK）4.002 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

裂紋擴(kuò)展速率近似趨于0即認(rèn)為裂紋不擴(kuò)展，這里近似取擴(kuò)展速率da/dN=10-7m·Cycles-1，依據(jù)式（1）求得結(jié)果ΔK為2.509 MPa·m1/2，該值為描述疲勞裂紋擴(kuò)展性能的參數(shù)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度門檻值ΔKth，在擴(kuò)展低速率區(qū)，裂紋不發(fā)生疲勞擴(kuò)展的條件[10]：

ΔK<ΔKth ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

將ΔKth代入應(yīng)力強(qiáng)度因子公式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，可推導(dǎo)得出裂紋尺寸與擴(kuò)展臨界應(yīng)力幅的函數(shù)關(guān)系：

式中 a為Hook缺陷尺寸;Δσmax為擴(kuò)展臨界應(yīng)力幅。依據(jù)該函數(shù)關(guān)系，可確定任意尺寸Hook缺陷的疲勞擴(kuò)展臨界應(yīng)力幅，工程應(yīng)用中可以依據(jù)不擴(kuò)展條件對(duì)Hook缺陷進(jìn)行安全評(píng)定。

同理，依據(jù)Paris公式擬合方法得到的不擴(kuò)展條件為：

2.3 Hook缺陷疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)在工藝試驗(yàn)中獲得的Hook缺陷接頭，選取疲勞試樣兩側(cè)位置的金相進(jìn)行光鏡觀察并測(cè)量缺陷尺寸，以兩者平均缺陷尺寸作為疲勞試樣所含Hook缺陷尺寸，結(jié)果如表3所示。

通過疲勞試驗(yàn)得到相應(yīng)條件下的Hook缺陷擴(kuò)展臨界應(yīng)力幅值，與理論曲線的對(duì)比如圖7、表4所示。可以看出，依據(jù)Paris公式擬合得到的Hook缺陷不擴(kuò)展條件與實(shí)際結(jié)果誤差較大。而運(yùn)用線性擬合預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合程度較好，且當(dāng)Hook缺陷尺寸越小，理論值和試驗(yàn)值誤差較小;Hook缺陷尺寸越大，誤差較大。試驗(yàn)中誤差絕對(duì)值平均為9.4%，在可控范圍內(nèi)，可以依據(jù)式（5）來評(píng)定實(shí)際工作中在不同應(yīng)力幅下，含Hook缺陷的接頭能否安全工作不發(fā)生疲勞擴(kuò)展。

3 結(jié)論

（1）對(duì)搭接接頭中Hook缺陷的本質(zhì)是未焊合形成的缺陷，顯現(xiàn)為裂紋形式，Hook缺陷起源于原始搭接面，尖端終止于焊核區(qū)和熱機(jī)械影響區(qū)邊界處，是焊接過程中劇烈的攪拌作用導(dǎo)致搭接面向上遷移的結(jié)果。

（2）通過線性擬合和Paris公式擬合裂紋擴(kuò)展速率，根據(jù)裂紋不發(fā)生擴(kuò)展條件，得到Hook缺陷不擴(kuò)展的應(yīng)力幅條件。

（3）依據(jù)Paris公式擬合得到的Hook缺陷擴(kuò)展應(yīng)力幅預(yù)測(cè)值與實(shí)際結(jié)果誤差較大，而疲勞試驗(yàn)結(jié)果與線性擬合擴(kuò)展速率推導(dǎo)得到的Hook缺陷擴(kuò)展臨界應(yīng)力幅公式曲線吻合較好，誤差絕對(duì)值平均為9.4%。

參考文獻(xiàn)：

R S Mishra，Z Y Ma. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering R，2005，50（1-2）：1-78.

G K Padhy，C S Wu，S Gao. Friction stir based welding and processing technologies-processes，parameters，microstructures and applications：A review[J]. Journal of Materials Science and Technology，2018，34（1）：1-38.

ZHONGWEI MA，LIN MA，BO XU，et al. High cycle fatigue performance of hollow-extruded 6005A-T6 aluminum alloy characterized by a layered microstructure[J]. Arch.，Metall.，Mater，2019，64（1）：285-292.

Zhengwei Li，Yumei Yue，Shude Ji，et al. Joint features and mechanical properties of friction stir lap welded alclad 2024 aluminum alloy assisted by external stationary shoulder[J]. Materials and Design，2016（90）：238-247.

羅凱. 攪拌摩擦焊搭接接頭界面遷移行為的研究[D]. 南昌：南昌航空航天大學(xué)，2010.

吳志明，吳堅(jiān)定，馬正斌，等. 鋁合金攪拌摩擦焊對(duì)搭接接頭Hook 缺陷研究[J]. 航空制造技術(shù)，2014（16）：57-60.

Youbao Song，Xinqi Yang，Lei Cui，et al. Defect features and mechanical properties of friction stir lap welded dissimilar AA2024-AA7075 aluminum alloy sheets[J]. Materials and Design，2014（55）：9-18.

蔣若蓉，李文亞，楊夏煒，等. 薄板AA2024鋁合金無針攪拌摩擦焊搭接工藝與接頭性能[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2016，37（4）：98-102.

陳傳堯，疲勞與斷裂[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

Jaap Schijve. Fatigue of Structures and Materials[M]. Dordrecht：Kluwer Academic Publishers，2004.

收稿日期：2021-01-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51505321）

作者簡(jiǎn)介：馮 浩（1996—），男，碩士，主要從事攪拌摩擦焊的研究。E-mail：fenghao0155@link.tyut.edu.cn。

通訊作者：董 鵬，博士，副教授，主要從事焊接結(jié)構(gòu)的疲勞與斷裂和功能材料的微納連接方面的研究。E-mail：dongpeng@tyut.edu.cn。