調(diào)修次數(shù)對6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的影響

劉國田 段澤斌 劉凱 陳海寬 李永印

摘要：平頭攪拌針調(diào)修是指在原有焊縫背面用無攪拌針的攪拌頭對焊縫再次進(jìn)行攪拌摩擦焊，使焊縫溫度升高，改善FSW接頭性能。對平頭攪拌針不同調(diào)修次數(shù)的高速列車用6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行脈動拉伸疲勞試驗，利用掃描電鏡觀察分析疲勞斷口，試驗結(jié)果表明：鋁合金攪拌摩擦焊接頭指定壽命為1×107次的中值疲勞極限隨著攪拌針調(diào)修次數(shù)的增加而升高。平頭攪拌針調(diào)修兩次時焊接接頭的疲勞極限強(qiáng)度較高，焊縫背面邊緣是本次試驗集中產(chǎn)生裂紋的部位。啟裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)疲勞紋清晰;終斷區(qū)為深韌窩狀花樣的韌性斷口。

關(guān)鍵詞：調(diào)修次數(shù);攪拌摩擦焊;疲勞極限;摩擦熱;平頭攪拌針

中圖分類號：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0056-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.10

0? ? 前言

攪拌摩擦焊具有熱輸入小、焊接變形小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于鋁合金的焊接[1]。關(guān)于鋁合金攪拌摩擦焊國內(nèi)外進(jìn)行了大量的理論和試驗研究，包括：攪拌摩擦焊的理論機(jī)理、攪拌摩擦焊接頭的殘余應(yīng)力、焊接變形、接頭組織及性能、疲勞特性等[2]，但鋁合金攪拌摩擦焊接頭由于承受重復(fù)性載荷引起的疲勞斷裂也時有發(fā)生[3-5]。當(dāng)熱輸入不足或者尺寸偏差較大的情況下，鋁合金FSW焊有可能出現(xiàn)結(jié)合不良、甚至隧道型缺陷，這些缺陷對產(chǎn)品的疲勞性能有較大的影響。為了改善鋁合金FSW接頭的性能，傳統(tǒng)FSW焊縫采用焊后熱處理，其熱處理方式一般為直接火焰加熱或機(jī)械調(diào)修，但這種方法對大型構(gòu)件存在困難。平頭攪拌針調(diào)修是指采用無攪拌針的攪拌頭在原有焊縫背面再次進(jìn)行攪拌摩擦焊，使焊縫溫度升高，以進(jìn)行時效處理[6]。因此，研究平頭攪拌針調(diào)修次數(shù)對鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的影響具有重要的現(xiàn)實意義。

文中針對此問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，利用掃描電鏡觀察分析疲勞斷口，以確定平頭攪拌針不同調(diào)修次數(shù)對6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為5 mm厚的6082-T6鋁合金板，尺寸為700 mm×300 mm×5 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

1.2 試驗方法

采用單軸肩攪拌摩擦焊，焊接坡口裝配圖如圖1所示。攪拌頭軸肩直徑20 mm，針長4.8 mm，攪拌針根部直徑7.6 mm，端部直徑4.2 mm。對焊接后的試板分別進(jìn)行平頭攪拌針調(diào)修0次、1次和2次的工藝試驗，工藝參數(shù)與焊接時參數(shù)相同，如表3所示。并對焊后試件進(jìn)行外觀檢測和射線探傷，保證試件焊縫無缺陷。

疲勞試驗參照GB/T13816-92《焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法》進(jìn)行。試驗設(shè)備為PLG-100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗機(jī)，其技術(shù)規(guī)格為：靜態(tài)負(fù)荷精度±1%，動負(fù)荷平均波動度±1%，動負(fù)荷振幅波動度±2%。本次試驗指定循環(huán)壽命次數(shù)N=1×107次，循環(huán)應(yīng)力比R=0.1。在試驗過程中，高頻拉伸震動會使試件產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，試驗機(jī)自動記錄循環(huán)次數(shù)并停機(jī)。疲勞試件見圖2。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 疲勞試驗結(jié)果及分析

本次試驗確定疲勞極限的方法為升降法，每組試樣12～15個，舍去無用數(shù)據(jù)，列出4個子樣對，升降法得出的疲勞極限升降圖如圖3所示，未調(diào)修的疲勞試驗共有2級應(yīng)力水平，有效試件數(shù)12個;調(diào)修1次和2次的疲勞試驗共有3級應(yīng)力水平，有效試件12個。

根據(jù)疲勞極限升降圖并依據(jù)公式：

分別計算出未調(diào)修、調(diào)修1次、調(diào)修2次的中值疲勞極限，計算結(jié)果為：

（1）未調(diào)修

（2）調(diào)修1次

（3）調(diào)修2次

對比分析計算結(jié)果，得到平頭攪拌針分別調(diào)修0次、1次、2次的攪拌摩擦焊接頭中值S-N曲線對比如圖4所示。由圖4可知，脈動拉伸疲勞試驗確定的指定壽命為1×107次的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1在平頭攪拌針調(diào)修0次時為105 MPa，平頭攪拌針調(diào)修1次時為122.5 MPa，平頭攪拌針調(diào)修2次時為130 MPa。因此，平頭攪拌針調(diào)修2次的焊接接頭疲勞極限較高，隨著平頭攪拌針調(diào)修次數(shù)增加，疲勞極限升高。分析原因為：平頭攪拌針調(diào)修是在焊縫背面進(jìn)行調(diào)修（背面焊完可能存在根部熔合不良，可在背面用軸肩再焊一次），軸肩與試板的摩擦熱也在一定程度上細(xì)化了晶粒，降低了原有焊縫的應(yīng)力，疲勞極限升高。

2.2 疲勞斷口掃描分析

統(tǒng)計斷裂位置可知，平頭攪拌針不同調(diào)修次數(shù)攪拌摩擦焊接頭疲勞試件主要斷裂在焊縫背面邊緣。在JSM-6360LV型掃描電鏡上對疲勞斷裂試件斷口進(jìn)行斷口微觀形貌掃描分析，由圖5所示。由圖可知，啟裂區(qū)（見圖5a、5b）和擴(kuò)展區(qū)（見圖5c）具有典型的疲勞斷裂特征，啟裂點為邊緣位置，疲勞紋清晰且具有明顯的壟溝紋，試件啟裂區(qū)無明顯可視的夾雜、夾渣等影響試件疲勞強(qiáng)度的焊接缺陷，擴(kuò)展區(qū)較為明顯，疲勞紋隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加不斷延伸;終斷區(qū)（圖5d）為深韌窩狀花樣的韌性斷口。疲勞試件主要斷裂在焊縫背面邊緣是因為熔合不良。

3 結(jié)論

（1）平頭攪拌針調(diào)修6082-T6鋁合金焊接接頭指定壽命為1×107次的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1：調(diào)修0次時為105 MPa;調(diào)修1次時為122.5 MPa，調(diào)修2次時為130 MPa。

（2）隨著平頭攪拌針調(diào)修次數(shù)的增加，疲勞極限升高。這是因為平頭攪拌針調(diào)修是在原有焊縫背面進(jìn)行，軸肩與試板的摩擦熱在一定程度上細(xì)化晶粒，降低了原有焊縫的應(yīng)力，疲勞極限升高。

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