鋁合金型材攪拌摩擦焊對(duì)搭接接頭的疲勞性能研究

劉 杰, 閆占奇, 宮文彪

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；3.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

鑒于軌道行業(yè)鋁合金車(chē)體制造已逐步采用攪拌摩擦焊新技術(shù)，涉及人員資質(zhì)、施工工藝及質(zhì)量判定等均有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)支撐[1]，但是疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)缺失及疲勞性能數(shù)據(jù)不完善，采取與熔化焊接頭疲勞強(qiáng)度對(duì)比的傳統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試方式已不能滿(mǎn)足車(chē)體設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造的需求，尋求一種全新的評(píng)估鋁合金車(chē)體攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)疲勞性能的方法尤為緊迫。

采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，結(jié)合Abaqus有限元模擬，應(yīng)用主S-N曲線(xiàn)評(píng)估疲勞壽命的方法，為一種全新的評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞的方法，此方法已被列為美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)[1]，國(guó)內(nèi)軌道車(chē)輛制造企業(yè)針對(duì)此方法開(kāi)展相應(yīng)的配套研究工作才剛剛起步。

文中選取鋁合金車(chē)體攪拌摩擦焊的典型結(jié)構(gòu)，借助試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的研究手段，針對(duì)典型對(duì)搭接接頭，探討基于主S-N曲線(xiàn)法的攪拌摩擦焊接頭疲勞壽命分析與應(yīng)用，為鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 焊接試樣的制備

試驗(yàn)用鋁合金板為4.0 mm厚的6005A-T6鋁合金型材，焊接型材尺寸規(guī)格為4 500 mm×453 mm×4.0 mm。

焊接試驗(yàn)在型號(hào)為FSW-80的攪拌摩擦焊設(shè)備上進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)用攪拌頭采用右旋錐形雙螺紋攪拌頭，軸肩直徑為19.2 mm，攪拌針根部直徑為8.0 mm，長(zhǎng)度為3.8 mm。

焊接工藝流程為：反裝組對(duì)→反裝焊接→翻轉(zhuǎn)工件→正裝焊接→焊后清理。

攪拌摩擦焊焊接后的部件照片如圖1所示。

圖1 攪拌摩擦焊焊接的部件

焊接試樣焊接完成后，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO25239-2011[2]分別制取金相、硬度分析試樣。應(yīng)用JSM-5600LV型掃描電鏡、Nikon EPIPHOT300金相顯微鏡及HMV-2000顯微硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行分析。

1.2 疲勞試驗(yàn)測(cè)試

疲勞試驗(yàn)在室溫條件下，INSTRON 8802型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在疲勞機(jī)軸向加載拉力，設(shè)計(jì)L型夾具，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閺澗?，夾具與試樣通過(guò)螺栓連接，為避免夾具對(duì)試樣表面損傷，在加載端與試樣表面添加1 mm厚的緩沖墊片，加載長(zhǎng)度為100 mm，寬度為100 mm。

試驗(yàn)加載條件拉-拉室溫軸向疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)力比R=0.1，加載頻率設(shè)置為1 Hz和2 Hz。試驗(yàn)后對(duì)疲勞斷口進(jìn)行形貌分析。疲勞試驗(yàn)所用夾具及加載方式如圖2所示。

圖2 L型夾具及加載示意圖

1.3 有限元分析

基于Abaqus和FE-sale軟件對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊焊接對(duì)搭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和數(shù)據(jù)分析。

L型夾具試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的邊界、載荷條件及應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 L型夾具試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的邊界條件及應(yīng)力云圖

所用的計(jì)算模型與疲勞試驗(yàn)條件一致，網(wǎng)格為八節(jié)點(diǎn)四面體。對(duì)于夾具下部x和y自由度約束，夾具上部x方向自由度約束。將試樣左側(cè)部分連接至下部夾具，試樣右側(cè)部分連接到上部夾具。與試驗(yàn)中的加載條件相對(duì)應(yīng)的y方向上，在L夾具施加向上的拉伸載荷。由圖可見(jiàn)，相對(duì)于母材焊縫位置經(jīng)受了較大的S11應(yīng)力，這將保證了攪拌摩擦焊(FSW)對(duì)搭接接頭焊根失效，焊根處也承受了較大的彎曲應(yīng)力。

采用主S-N曲線(xiàn)法計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其計(jì)算公式為[3]

σs=σm+σb，

(1)

式中：Fxi——節(jié)點(diǎn)力;

t——板厚;

yi——節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);

σm——膜應(yīng)力;

σb——彎曲應(yīng)力。

即為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，可用來(lái)表征結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀組織及顯微硬度分布

通過(guò)對(duì)4.0 mm厚6005A-T6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝試制，在上述工藝條件下，獲得成形良好、表面光滑的焊縫(見(jiàn)圖1)。經(jīng)對(duì)焊縫進(jìn)行相控陣超聲波檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)隧道孔及未熔合等內(nèi)部缺陷。

焊接接頭低倍組織形貌如圖4所示。

圖4 對(duì)搭接接頭的低倍組織

由圖4可以看出，接頭主要分4個(gè)區(qū)：焊縫中心部分為焊核區(qū)(Weld Nugget Zone，WNZ)；焊核區(qū)兩側(cè)為熱-力影響區(qū)TMAZ；熱-力影響區(qū)以外只受焊接過(guò)程熱影響的區(qū)域稱(chēng)為熱影響區(qū)HAZ；未發(fā)生組織和性能變化部分為母材區(qū)BMZ[5]。前進(jìn)側(cè)熱-力影響區(qū)與熱影響區(qū)過(guò)渡區(qū)(AS)交界線(xiàn)清晰可見(jiàn)，后退側(cè)過(guò)渡區(qū)(RS)交界線(xiàn)相對(duì)模糊一些。與普通板材對(duì)接接頭不同的是，攪拌頭下方的材料受攪拌頭的作用也存在一個(gè)熱-力影響區(qū)和熱影響區(qū)。

焊接接頭顯微硬度分布，給出焊縫中部的顯微硬度曲線(xiàn)如圖5所示(圖中0點(diǎn)為焊縫中心位置)。

圖5 對(duì)搭接接頭顯微硬度分布曲線(xiàn)

由圖5可以看出，焊縫硬度分布呈W形，硬度最低值均出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)(66 HV)。從前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)開(kāi)始，隨著距焊縫中心距離的減小，硬度逐漸增大，直到后退側(cè)熱影響區(qū)再次降低(71 HV)，分布特征與之前的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證鋁合金對(duì)搭接接頭實(shí)施攪拌摩擦焊工藝，前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)仍是焊接接頭的薄弱區(qū)域[6]。

2.2 疲勞性能分析

2.2.1 疲勞試驗(yàn)分析

基于前期試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及校驗(yàn)，結(jié)果表明,采用短螺栓連接樣件與夾具，可以使焊縫中心截面承受更大的彎曲應(yīng)力，同時(shí)降低了試驗(yàn)過(guò)程中螺栓的影響，疲勞試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示。

圖6 L型夾具疲勞試驗(yàn)及試件失效位置

疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

為了得出疲勞壽命與荷載水平的關(guān)系，使用結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算疲勞數(shù)據(jù)。2007年，美國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)ASME以標(biāo)準(zhǔn)的形式提出一種新的方法：基于網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線(xiàn)法，簡(jiǎn)稱(chēng) “主S-N曲線(xiàn)法”，此方法定義了一個(gè)新的應(yīng)力，即等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其計(jì)算公式如下[4]：

0.098 8r4+0.094 6r3+

0.022 1r2+0.014r+1.222 3,

(2)

式中：ΔSs——結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍；

t——實(shí)際板厚與單位板厚之比；

I(r)——描述載荷模式效應(yīng)函數(shù);

r——彎曲比；

m——與材料有關(guān)的常數(shù)，m=3.6。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力沿板寬方向分布如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力沿板寬方向分布規(guī)律

圖中黑色線(xiàn)為膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和,即結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布，灰色線(xiàn)為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，兩者大小與規(guī)律較為接近，均呈“貓耳形”分布，最大應(yīng)力值距離板寬邊界5 mm處，數(shù)值為111.29 MPa。

2.2.3 接頭斷口特征與失效分析

6005A-T6鋁合金型材對(duì)搭接接頭的疲勞斷口如圖8所示。

(a)斷口位置

6005A-T6鋁合金型材對(duì)搭接接頭的裂紋擴(kuò)展形貌如圖9所示。

由圖9可以看出，初始擴(kuò)展階段出現(xiàn)了類(lèi)似臺(tái)階的紋理，此處為攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中攪拌頭反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的塑性金屬流動(dòng)的痕跡，該位置為裂紋啟裂源(見(jiàn)圖9(a))，即裂紋由焊縫根部起裂；在高倍SEM下，圖9(a)斷口表現(xiàn)出沿晶斷裂特征，晶粒大小為2 μm左右，可發(fā)現(xiàn)細(xì)小的疲勞輝紋。圖9(b)與(c)為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域，輝紋方向較為一致，均從a端指向d端；圖9(d)位置為瞬斷區(qū)，該位置可發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩特征，對(duì)d區(qū)位置進(jìn)行能譜分析，并未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化物特征，初步推斷該位置由于攪拌摩擦焊近表面焊接螺旋紋的影響，承載面積減小，因此發(fā)生瞬斷[7]。

對(duì)搭接接頭彎曲疲勞試驗(yàn)的裂紋擴(kuò)展屬于Out-of-Plane notch effect，其疲勞停止條件為當(dāng)裂紋穿透板厚，試件完全斷開(kāi)后，接頭失效。

對(duì)搭接接頭試驗(yàn)過(guò)程的剛度曲線(xiàn)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖10所示。

(a)剛度曲線(xiàn)

對(duì)搭接結(jié)構(gòu)受彎曲載荷下，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布為中間高兩頭低，試件的中心位置裂紋擴(kuò)展得更快，兩側(cè)的裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)較慢，因此，其剛度曲線(xiàn)較為平滑，接頭瞬斷時(shí)剛度急劇下降。

2.3 疲勞數(shù)據(jù)分析

采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法結(jié)合Abaqus計(jì)算有限元分析，推廣應(yīng)用基于主S-N曲線(xiàn)評(píng)價(jià)疲勞壽命的方法，借助試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的研究手段，結(jié)合ASME標(biāo)準(zhǔn)，得出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力-壽命數(shù)據(jù)點(diǎn)，見(jiàn)表3。

表3 有限元計(jì)算應(yīng)力結(jié)果

攪拌摩擦焊對(duì)搭接接頭疲勞數(shù)據(jù)點(diǎn)與ASME主S-N曲線(xiàn)[8]對(duì)比如圖11所示。

圖11 對(duì)搭接接頭S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)與ASME主S-N曲線(xiàn)

由于對(duì)搭接接頭的應(yīng)力集中屬于Out-of-plane notch，因此橫坐標(biāo)只需取試件沿板厚開(kāi)裂的壽命即可，縱坐標(biāo)為焊根截面的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。由圖可見(jiàn)，對(duì)搭接接頭由于焊縫根部的搭接間隙產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的缺口效應(yīng)，其疲勞壽命與熔化焊比較相差不大。在疲勞試驗(yàn)的加載條件下，對(duì)搭接接頭整體疲勞壽命不高，這是因?yàn)檎麄€(gè)疲勞加載過(guò)程中，充分利用了焊縫根部的搭接間隙，產(chǎn)生缺口效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)讓焊縫從根部開(kāi)始起裂的目的[11]。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)6005A-T6鋁合金型材對(duì)搭接接頭組織主要分為：焊核區(qū)、熱-力影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。與普通板材對(duì)接接頭不同，在攪拌頭下方的材料受攪拌頭的作用也存在一個(gè)熱-力影響區(qū)和熱影響區(qū)；接頭硬度分布仍呈“W”形，薄弱區(qū)為前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)。

2)采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線(xiàn)法計(jì)算對(duì)搭接結(jié)構(gòu)疲勞性能，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可行；對(duì)搭接接頭由于焊縫根部的搭接間隙產(chǎn)生了缺口效應(yīng)，其疲勞壽命與熔化焊比較相差不大。

3)攪拌摩擦焊對(duì)搭接接頭結(jié)合良好，疲勞裂紋由焊縫根部起裂，表現(xiàn)出沿晶斷裂特征，存在細(xì)小的疲勞輝紋；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域，輝紋方向較為一致，均從焊縫根部指向焊縫表面；近焊縫表面區(qū)為瞬斷區(qū)，可發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩特征。