2A14鋁合金攪拌摩擦焊縫根部應(yīng)力應(yīng)變模擬與分析

田志杰，劉力源，馬 核，顏 旭，孫宇明

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；3. 北京航空航天大學(xué)，北京，100191）

0 引 言

攪拌摩擦焊接技術(shù)（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是一種固相連接新技術(shù)，具有接頭缺陷少、質(zhì)量高、變形小以及焊接過程無污染等顯著優(yōu)點(diǎn)。已被證明可以實(shí)現(xiàn)所有牌號的鋁合金材料、鋁基復(fù)合材料以及鑄態(tài)和擠壓鋁合金間的焊接。攪拌摩擦焊接技術(shù)可成功連接的同種或異種材料還包括鎂合金、銅、不銹鋼、低碳鋼和復(fù)合材料等，造船業(yè)、航空航天業(yè)已經(jīng)采用攪拌摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作。

目前中國運(yùn)載火箭常溫貯箱的材料主要是2A14鋁合金，攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金貯箱焊接應(yīng)用上有廣闊的實(shí)踐。

在2A14鋁合金攪拌摩擦焊接過程中，不同工藝條件及裝配條件會(huì)對接頭質(zhì)量造成重要影響。在對接攪拌摩擦焊時(shí)，焊根位置屬于攪拌針間接影響區(qū)，當(dāng)攪拌針過短、零件厚度局部變大、待焊零件出現(xiàn)錯(cuò)邊和棱角時(shí)，攪拌針底部待焊材料攪拌程度會(huì)受到影響，在熱輸入量與焊接壓力不變的條件下，焊根位置的材料熱力行為將會(huì)發(fā)生變化。研究表明，此時(shí)焊根位置將會(huì)出現(xiàn)弱結(jié)合與未焊透缺陷，未焊透缺陷的存在，降低了接頭的有效承載厚度，減小了接頭的有效承載面積，影響接頭的力學(xué)性能。

1 攪拌摩擦焊試驗(yàn)

為研究攪拌針頂端對攪拌摩擦焊接頭影響，本次試驗(yàn)采用不同長度攪拌針進(jìn)行焊接試驗(yàn)。被焊鋁板規(guī)格為30 mm×15 mm×6.2 mm。其拉伸性能如表1所示，化學(xué)元素成分如表2所示。

表1 2A14鋁合金母材力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of 2A14 Aluminum Alloy

表2 2A14鋁合金主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Main Chemical Composition of 2A14 Aluminum Alloy

試驗(yàn)用攪拌頭特征尺寸為：軸肩直徑為18 mm，攪拌針長度分別為6 mm與5.7 mm，攪拌針底部直徑5 mm，螺紋左旋，材料為GH4169。

本次試驗(yàn)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600 轉(zhuǎn)/min，焊接速度為180 mm/min，其他試驗(yàn)參數(shù)采用優(yōu)化后的固定值。試驗(yàn)分組如表3所示。焊接完成后，存在攪拌針磨損條件的焊接試驗(yàn)組焊縫形貌與無損檢測如圖1所示，由圖可知，焊縫表面成型良好，X光無損檢測未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Test Project

圖1 2#試板焊縫形貌及無損檢測結(jié)果Fig.1 The Topography and X-ray Test of the 2# Weld

2 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)與組織結(jié)構(gòu)分析

2.1 接頭拉伸性能

焊接接頭拉伸試驗(yàn)是反映接頭強(qiáng)度與塑性的重要措施，因此，焊接完成后對試驗(yàn)焊板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試樣在焊板中部依次取樣，取樣后進(jìn)行機(jī)械加工，機(jī)械加工尺寸按照《GB/T228-2002中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工，試樣尺寸如圖2所示。拉伸試驗(yàn)是在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)（Instron 8801）上進(jìn)行的。

圖2 拉伸試樣制備Fig.2 The Schematics of Tensile Test Specimen

室溫條件下，在萬能試驗(yàn)機(jī)上對各組焊接試驗(yàn)接頭試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)測出的各試件的抗拉強(qiáng)度、延伸率如表4所示。各試樣宏觀斷裂形貌如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊縫根部攪拌不充分時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度與延伸率均有明顯下降，接頭抗拉強(qiáng)度降低了10.14%。斷裂位置也由熱力影響區(qū)逐步移向焊核區(qū)。

表4 試樣接頭力學(xué)性能Tab.4 Mechanical Properties of Test Specimen

圖3 各試樣宏觀斷裂形貌Fig.3 The Macroscopic Fracture Morphology of Tensile Test Specimen

2.2 接頭組織結(jié)構(gòu)

接頭內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)差異是接頭力學(xué)性能變化的內(nèi)在原因。金相試驗(yàn)取樣位置為焊縫中部，尺寸為50 mm×13 mm×7 mm矩形試樣。制樣后，采用Keller試劑（HF:HCl:HNO:HO=2:3:5:190）對接頭進(jìn)行腐蝕。攪拌摩擦焊接頭宏觀組織特點(diǎn)是具有明顯的分區(qū)，根據(jù)組織特征可劃分為不同的區(qū)域：焊核區(qū)、軸肩區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。根據(jù)攪拌針旋轉(zhuǎn)方向與被焊材料摩擦方向又可以分為前進(jìn)側(cè)（AS）與后退側(cè)（RS），摩擦面間攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與焊接速度同向一側(cè)稱為前進(jìn)側(cè)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與焊接速度反向一側(cè)稱為后退側(cè)。各區(qū)域位置如圖4所示，焊縫表面下側(cè)為軸肩影響區(qū)（SAZ，圖4Ⅰ），軸肩影響區(qū)下側(cè)為攪拌針影響區(qū)（PAZ，圖4Ⅱ），軸肩影響區(qū)與攪拌針影響區(qū)共同稱為焊核區(qū)（NZ），焊核區(qū)兩側(cè)為熱力影響區(qū)（TMAZ，圖4Ⅲ），熱力影響區(qū)外側(cè)為熱影響區(qū)（HAZ，圖4Ⅳ）。

圖4 接頭宏觀形貌Fig.4 The Macroscopic Topography of the Joint

攪拌針磨損條件下接頭各區(qū)域微觀組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 攪拌針磨損條件下接頭橫截面各區(qū)域微觀組織 Fig.5 The Microstructure of the Joint with Wearing Stir Tool Condition

從圖5中可以看出，各區(qū)組織的晶粒大小和形態(tài)呈現(xiàn)明顯差異。軸肩影響區(qū)與攪拌針影響區(qū)組織相似，均由細(xì)小、均勻的等軸晶構(gòu)成，軸肩影響區(qū)晶粒尺寸稍大于攪拌針作用區(qū)。熱力影響區(qū)與熱影響區(qū)晶粒尺寸明顯大于軸肩影響區(qū)與攪拌針影響區(qū)，并且，熱力影響區(qū)的晶粒發(fā)生彎曲變形，較為狹長，而熱影響區(qū)晶粒有不同程度的粗化現(xiàn)象。攪拌摩擦焊各區(qū)域組織呈現(xiàn)上述特征與其經(jīng)歷的熱力行為有直接關(guān)系。在焊接過程中，軸肩與攪拌針劇烈摩擦被焊材料并產(chǎn)生大量熱量，軸肩影響區(qū)與攪拌針影響區(qū)材料被高溫軟化，并在攪拌頭旋轉(zhuǎn)下發(fā)生劇烈塑性變形，軸肩影響區(qū)與攪拌針影響區(qū)材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化成等軸晶粒。而由于軸肩摩擦面積大于攪拌針，軸肩處產(chǎn)熱量大于攪拌針，因此，軸肩影響區(qū)溫度會(huì)稍高于攪拌針作用區(qū)，其區(qū)域內(nèi)的晶粒在再結(jié)晶過程中會(huì)出現(xiàn)長大現(xiàn)象。熱力影響區(qū)距離攪拌針較遠(yuǎn)，受到的攪拌針的攪拌作用遠(yuǎn)小于焊核區(qū)。在焊接過程中，熱力影響區(qū)的組織同時(shí)受到攪拌針的機(jī)械擠壓和焊接熱循環(huán)的雙重作用，因此，熱力影響區(qū)材料發(fā)生較大程度的彎曲變形，并且局部區(qū)域在熱循環(huán)的作用下發(fā)生回復(fù)，在板條組織內(nèi)形成了回復(fù)組織晶粒。而熱影響區(qū)組織只受到熱循環(huán)的作用，不發(fā)生變形，僅僅發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，相對于母材該區(qū)組織稍微有粗化現(xiàn)象。

當(dāng)焊縫根部攪拌不充分時(shí)，如圖6所示，在焊根D區(qū)域出現(xiàn)未焊合缺陷，缺陷出現(xiàn)在攪拌針影響區(qū)下方原始對接中心偏前進(jìn)側(cè)，該位置屬于攪拌針間接影響區(qū)。從圖6中可以看出，攪拌針作用區(qū)與攪拌針間接作用區(qū)有較明顯的過渡區(qū)域，攪拌針作用區(qū)晶粒細(xì)小、均勻，焊根攪拌針間接作用區(qū)中晶粒比攪拌針作用區(qū)粗大，比母材區(qū)細(xì)小、均勻。在未焊合缺陷附近，晶粒有明顯彎曲現(xiàn)象。

圖6 攪拌針磨損條件下接頭焊根區(qū)域微觀組織Fig.6 The Microstructure of the Root with Wearing Stir Tool Condition

3 數(shù)值模擬

3.1 三維模型

為了研究焊根位置熱力行為，采用數(shù)值模擬方法有助于深入了解攪拌摩擦焊焊根位置的熱力行為。本次模擬基于Abaqus有限元模擬軟件，選用顯示積分完全溫度-應(yīng)力耦合模塊（Dynamic Temperature - Displacemet），采用CEL方法，這一處理可以實(shí)現(xiàn)熱力過程與材料流動(dòng)的共同求解，完成耦合復(fù)雜的熱學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)分析。三維模型如圖7所示，攪拌針長度為5.7 mm，表面為光滑錐面，焊板尺寸為50 mm×50 mm×6 mm，并在焊板下方添加0.5 mm的補(bǔ)充材料層，相當(dāng)于焊板厚度6.5 mm，在焊板上方添加1.5 mm空材料層，其他特征尺寸上已述及。攪拌頭在焊板中央，通過材料流動(dòng)模擬焊接行進(jìn)過程。模型中有材料進(jìn)入表面與排出表面，攪拌針空間位置固定，材料的進(jìn)入與移出速度相當(dāng)于焊接速度。模型劃分網(wǎng)格后如圖8所示。數(shù)值模擬模型與材料參數(shù)由文獻(xiàn)10可知。

圖7 三維模型示意Fig.7 The Schematics of 3D Model

圖8 網(wǎng)格劃分Fig.8 The Meshed 3D Model

3.2 等效黏塑性應(yīng)變場分布

攪拌摩擦焊過程中，金屬材料在高溫作用下軟化，并在外力條件下發(fā)生大變形的現(xiàn)象，可通過等效黏塑性應(yīng)變來描述其變形程度。如圖9所示，在攪拌針正下方，在頂鍛約束力的作用下，等效黏塑性應(yīng)變很小，而在攪拌針頂端面中，等效黏塑性應(yīng)變沿徑向增加而增加，在邊緣處達(dá)到最大值。在厚度方向上，攪拌針正下方，等效黏塑性應(yīng)變最小，在攪拌針頂端兩側(cè)，等效黏塑性應(yīng)變隨厚度增加而逐漸減小。

圖9 讓焊根位置等效黏塑性應(yīng)變場分布Fig.9 The Equivalent Viscoplastic Strain Field Distribution of Root

3.3 應(yīng)力場分析

焊接過程中，焊根位置等效應(yīng)力如圖10所示。由圖10可知，在焊根位置，攪拌針影響區(qū)材料既受到攪拌針在板厚方向上施加的頂鍛力，同時(shí)也受到焊根橫向兩側(cè)材料施加的壓應(yīng)力。橫向受力從外圍向焊縫施加，縱向受力集中在攪拌針前端，此區(qū)域受力最大，且大小變化不明顯，從攪拌針向外受力越來越小。

圖10 焊根位置等效應(yīng)力場分布Fig.10 The Equivalent Stress Field Distribution of Root

由受力情況可知，攪拌作用不充分會(huì)導(dǎo)致焊根位置產(chǎn)生未焊合缺陷，通過數(shù)值模擬方法可以獲得焊根位置材料等效黏塑性應(yīng)變程度與焊接應(yīng)力分布。攪拌摩擦焊過程中，攪拌針正下方材料未經(jīng)過大變形行為，材料等效黏塑性應(yīng)變較小。通過金相圖片（圖5）也可以看出，攪拌針作用區(qū)晶粒細(xì)小、均勻，而攪拌針間接影響區(qū)晶粒較粗大。因此，可以推斷出，攪拌摩擦焊焊根位置焊接機(jī)制類似于瞬間擴(kuò)散焊接，擴(kuò)散焊接中的被焊材料需要滿足高溫高壓條件。在攪拌不充分的條件下，焊根處材料溫度會(huì)有所下降，這一因素會(huì)降低熱量擴(kuò)散效果。另一方面，攪拌針間接影響區(qū)所受壓力并不相同，在攪拌針頂端與被焊材料接觸界面中，被焊材料中間位置所受縱向力最大，縱向受力隨接觸界面徑向增加而減小。在熱輸入量與頂鍛力不變的條件下，隨著焊根體積的增加，焊根位置溫度與所受應(yīng)力均會(huì)有所減小。當(dāng)溫度與壓力小于擴(kuò)散焊接所需熱量時(shí)，焊根位置將出現(xiàn)未焊合缺陷。

4 結(jié) 論

a）采用長度為5.7 mm與6 mm的兩種攪拌針對6.2 mm厚2A14鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦焊，當(dāng)攪拌針長度縮短0.3 mm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度降低了10.14%，并且在焊根位置將產(chǎn)生未焊合缺陷。

b）采用CEL方法對2A14鋁合金攪拌摩擦焊進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了焊根位置被焊材料等效黏塑性應(yīng)變場與等效應(yīng)力場，焊根位置等效黏塑性應(yīng)變較小，并且受力不均勻，攪拌針正下方受力較大，焊根位置受力從中間位置向徑向逐漸減小。

c）攪拌摩擦焊焊根焊接機(jī)制類似于瞬間擴(kuò)散焊。在攪拌摩擦焊熱輸入量與下壓力不變的條件下，當(dāng)攪拌程度不充分時(shí)，焊根位置溫度與壓應(yīng)力將減小，當(dāng)溫度與壓應(yīng)力不足以滿足擴(kuò)散焊接條件時(shí)，將產(chǎn)生未焊合缺陷。