（材料加工工程专业论文）航空铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展速率试验研究.pdf

摘要 要实现铝合金搅拌摩擦焊技术的工业化应用和推广，接头的疲劳行为是必不 可少的重点研究对象之一。本实验通过高频疲劳实验，对航空铝合金l c 4 c s 和 7 0 7 5 t 6 搅拌摩擦焊预制裂纹穿焊缝中心，预制裂纹穿焊缝前进边，预制裂纹穿 焊缝后退边，预制裂纹垂直于焊缝四种形式焊接接头疲劳性能进行了研究，金相 组织观察，维氏硬度实验作为辅助试验，通过接头焊缝各区域的组织、缺陷和硬 度来进一步的了解接头的疲劳性能。该实验为建立合理的搅拌摩擦焊接接头的疲 劳评定规范提供重要依据，从而推动搅拌摩擦焊接技术在航天领域的广泛应用。 i i w 疲劳试验标准对于f s w 接头是比较保守的，应该设计符合f s w 的疲劳 试验标准。7 0 7 5 - t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头预制裂纹穿焊缝中心试样、预制裂纹 穿焊缝前进边试样、预制裂纹穿焊缝后退边试样和预制裂纹垂直于焊缝试样疲劳 裂纹扩展速率方程分别为：d a d n = 2 5 0 5 8 l0 以2 ( k ) 4 0 8 、d a d n = 4 6 0 0 2 l0 “1 ( k ) 3 - 0 5 、d a d n = 1 8 2 1 3 1 0 。1 1 ( k ) 3 1 6d “d n = 4 9 1 6 5 x 1 0 。1 0 ( k ) 2 。 l c 4 c s 铝合金搅拌摩擦焊接头预制裂纹穿焊缝中心试样、预制裂纹穿焊缝前进 边试样、预制裂纹穿焊缝后退边试样和预制裂纹垂直于焊缝试样的疲劳裂纹扩展 速率方程分别为：d a d n = 1 8 3 8 2 1 0 1 2 ( k ) 4 2 7d “d n = 1 6 8 7 2 1 0 。1 ( a k ) 3 4 9 、 d a d n = 6 2 8 1 l 1 0 。1 1 ( a k ) 3 0 1 、d a d n = 1 1 2 2 9 1 0 1 0 ( k ) 2 9 5 。 l c 4 c s 铝合金f s w 接头抗疲劳裂纹扩展能力不如7 0 7 5 - t 6 铝合金搅拌摩擦 焊接接头，但是相差不大。k 较小时，预制裂纹垂直于焊缝试样疲劳裂纹扩展 速率最快。k 较大时，预制裂纹穿焊缝后退边试样疲劳裂纹扩展速率最慢，预 制裂纹穿焊缝中心试样疲劳裂纹扩展速率最快。 焊缝成形良好，基本没有变形，两种铝合金前进边热影响区与搅拌区的边界 比较清晰。焊核区均为细小的等轴晶粒，远小于铝合金母材的晶粒，母材均为沿 轧制方向拉长的等轴晶。试验表明尽管焊核区为细小等轴晶，然而抗疲劳裂纹扩 展能力不是最好，这可能与接头中存在的残余应力有关。两种铝合金搅拌摩擦焊 接接头的维氏硬度分布均为“w 型，硬度最低值出现在热影响区。在两种铝合 金搅拌摩擦焊接接头中发现氧化物夹杂、贯穿性缺陷和根部缺陷，对接头的疲劳 性能不利。在实际过程中应通过优化焊接工艺，提高加工精度等措施来减少这种 缺陷。 关键词：搅拌摩擦焊；疲劳性能；铝合金；疲劳裂纹扩展速率：d a d n 曲线； 焊接缺陷 a b s t r a c t t or e a l i z et h ea p p l i c a t i o na n di n d u s t r i a lp r o m o t i o no fa l u m i n u mf s w t e c h n o l o g y , j o i n tf a t i g u eb e h a v i o ri se s s e n t i a lt o b eo n eo ft h ei m p o r t a n tt a r g e t s t h i ss t u d y t h r o u g hh i g h f r e q u e n c yf a t i g u ee x p e r i m e n t s ，f a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ea e r i a la l u m i n u m l c 4 c sa n d7 0 7 5 - t 6f s w j o i n t sp r e f a b r i c a t e dc r a c kw e a rt h r o u g hw e l ds e a mc e n t e r , p r e f a b r i c a t e dc r a c kt h r o u g hw e l da d v a n c ee d g e ，p r e f a b r i c a t e dc r a c k st h r o u g hr e t r e a t s i d e ，p r e f a b r i c a t e dc r a c k sv e r t i c a l t ow e l d i n gs e a ms a m p l e sh a v eb e e ns t u d i e d m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n ，v i c k e r sh a r d n e s se x p e r i m e n ta sac o m p l e m e n t a r yt e s t ， t h r o u g ht h er e g i o n a lo r g a n i z a t i o n ，d e f e c t sa n dh a r d n e s so ff s wj o i n t sw e l ds e a mw e c a nb e t t e ru n d e r s t a n dt h ej o i n tf a t i g u ep e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tp r o v i d ea n i m p o r t a n tb a s i st oe s t a b l i s har e a s o n a b l ef r i c t i o ns t i rw e l d i n gj o i n tf a t i g u ea s s e s s i n g n o r m s ，t h u sp r o m o t i n gt h ea p p l i c a t i o no ff r i c t i o ns t i rw e l d i n gt e c h n o l o g yi nt h ef i e l d o fa e r o s p a c e t h ei i wf a t i g u et e s ts t a n d a r d sa r er e l a t i v e l yc o n s e r v a t i v ef o rf s wj o i n t s ，t h e f s wf a t i g u et e s ts t a n d a r d ss h o u l db ed e s i g n e d t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e e q u a t i o n so f7 0 7 5 - t 6f s w j o i n t sp r e f a b r i c a t e dc r a c kw e a rt h r o u g hw e l ds e a mc e n t e r , p r e f a b r i c a t e dc r a c kt h r o u g hw e l da d v a n c es i d e ，p r e f a b r i c a t e dc r a c k st h r o u g hr e t r e a t s i d e p r e f a b r i c a t e dc r a c k sv e r t i c a lt ow e l d i n gs e a ms a m p l e sa r ed a d n = 2 5 0 5 8 x 10 。1 2 ( k ) 4 0 8 、d a d n = 4 6 0 0 2 x 1 0 。( k ) 3 0 5 、d a j d n = 1 8 2 1 3 1 0 。1 1 ( k ) 3 1 6 、d a d n = 4 9 16 5 x10 。1 0 ( k ) 2 4 4r e s p e c t i v e l y t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e e q u a t i o n so f l c 4 c sf s w j o i n t sp r e f a b r i c a t e dc r a c kw e a rt h r o u g hw e l ds e a mc e n t e r , p r e f a b r i c a t e d c r a c kt h r o u g hw e l da d v a n c es i d e ，p r e f a b r i c a t e dc r a c k st h r o u g hr e t r e a ts i d ea n d p r e f a b r i c a t e dc r a c k sv e r t i c a l t ow e l d i n gs e a ms a m p l e sa r ed a d n = 1 8 3 8 2 x10 1 上 ( k ) 4 ”、d a j d n = 1 6 8 7 2 x 1 0 。1 1 ( k ) 3 4 9 、d a d n = 6 2 8 1 1 x l o 1 1 ( k ) 3 刚、d a d n = 1 12 2 9 x10 。1 0 ( k ) 2 9 5r e s p e c t i v e l y 7 0 7 5 t 6a l u m i n u mf s wj o i n ta n t i - f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nc a p a c i t yi sb e t t e r t h a nl c 4 c sa l u m i n u ma l l o yf r i c t i o ns t i rw e l d e dj o i n t s ，b u tl i t t l ed i f f e r e n c e w h e n ki sl o w e r t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t eo fp r e f a b r i c a t e dc r a c k sv e r t i c a lt o w e l d i n gs e a ms a m p l e si s t h ef a s t e s t w h e na ki s h i g h e r ，t h ef a t i g u ec r a c k p r o p a g a t i o nr a t eo fp r e f a b r i c a t e dc r a c k st h r o u g hr e t r e a ts i d es a m p l ei st h el o w e s t , p r e f a b r i c a t e dc r a c kw e a rt h r o u g hw e l ds e a mc e n t e rs a m p l ei st h ef a s t e s t w e l ds e a mf o r m e dag o o ds h a p e ，w i t h o u ta n yd i s t o r t i o n t h eb o r d e ro ft w oa l u m i n u m h e a t a f f e c t e dz o n eo ff o r w a r ds i d e sa n ds t i rz o n ea r ec l e a r w e l d i n gn u g g e ta r e aa r es m a l l ，w h i c hi s m u c hs m a l l e rt h a nb a s em e t a l b a s em e t a la r el o n g e re q u i a x e dg r a i na l o n gt h ed i r e c t i o no ft h e r o l l i n g i ti ss h o w e dt h a td e s p i t et h en u g g e th a v es m a l le q u i a x e dg r a i n ，b u ta n t i - f a t i g u ec r a c k g r o w t hc a p a c i t yi sn o tt h eb e s t ，w h i c hm a yb er e l a t e dt ot h er e s i d u a ls t r e s si nt h ej o i n t s t h e d i s t r i b u t i o no f t h ev i c k e r sh a r d n e s sa l u m i n u mt w of i i c t i o ns t i rw e l d i n gj o i n t sa r e ”w ”一t y p e 1 0 w e s t h a r d n e s sl e v e li si nt h eh e a ta f f e c t e dz o n e t h e r ea r eo x i d ei n c l u s i o n ，p e n e t r a t i v et y p ew e a k b o n d d e f e c ta n dr o o td e f e c ti nt h et w oa l u m i n u mf r i c t i o ns t i rw e l d i n g t h e ya r ed i s a d v a n t a g et oj o i n t s f a t i g u ep e r f o r m a n c e i nr e a l i t yw es h o u l do p t i m i z et h ep r o c e s so fw e l d i n gt e c h n o l o g y , i m p r o v e p r o c e s sa c c u r a c y , a n do t h e rm e a s u r e st or e d u c et h i sd e f e c t k e yw o r d s f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e ，a l u m i n u ma l l o y , f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e ，d a d nc h iv e ，w e l d i n gd e f e c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：烫诲毛 签字日期：仞呕年6 月 石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库主赴行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同蕙学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：曩气每免导师签名：撇硒 签字日期：飙年f 月占日签- y - - e i 期：p 增，年6 月名日 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 铝及铝合金具有独特的物理化学性能。它的外观呈银白色，密度小，电阻率 小，线胀系数大和导热系数大。有优异的低温韧性，在低温下保持良好的力学性 能。此外，铝及铝合金还有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度( 强度密度) 。铝 合金具有较好的强度，超硬铝合金的强度可达6 0 0 m p a ，普通硬铝合金的抗拉强 度也达2 0 0 4 5 0 m p a ，它的比刚度远高于钢。对热和光有良好的反射率。磨削时 无火花和无磁性。根据铝合金的化学成分和铸造工艺，可以分为变形铝合金和铸 造铝合金两大类。变形铝合金按照强化方式可以分为热处理强化铝及铝合金和非 热处理强化铝及铝合金。在航空、航天、汽车、机械制造、电子、化工、轻工、 铁道等方面，铝及铝合金焊接产品都获得了日益广泛的应用。我国铝资源十分丰 富，并且开发利用的成本也很低，铝及铝合金焊接在我国非常有前途i l l 。 传统的熔焊，如熔化极惰性气体保护焊和等离子弧焊，常常使铝合金焊缝产 生对性能有害的铸造组织，同时焊缝和热影响区焊后的收缩会引起铝合金接头较 大的变形。铝合金材料表面致密的氧化层以及弧焊过程中较大变形和焊接缺陷等 又限制了它的进一步推广。此外，接头热影响区产生的大范围软化将会大大降低 焊接接头的机械性能。铝合金焊接主要有以下几大难点： ( 1 ) 铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大 障碍； ( 2 ) 铝合金表面容易产生难熔的氧化膜( a 1 2 0 3 ，其熔点为2 0 6 0 0c ) ，这就需要 采用大功率密度的焊接工艺； ( 3 ) 铝合金焊接容易产生气孔和热裂纹； ( 4 ) 线膨胀系数大，易产生焊接变形； ( 5 ) 铝合金热导率大( 约为钢的4 倍) ，相同焊接速度下，热输入要比焊接钢 材大2 4 倍。 搅拌摩擦焊接技术是由英国焊接研究所( t h ew e l d i n gi n s t i t u t e ，简称t w i ) 于1 9 9 1 年提出的一种固态连接方法【2 1 。主要是用来解决飞行器上高强铝合金熔 焊性能差，而铆接又不利于飞行器的飞行性能的问题而提出来的。与传统的熔化 焊接方法相比较，搅拌摩擦焊作为一项新型的连接方法，具有晶粒细小、疲劳性 能、拉伸性能和弯曲性能良好、无尘烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊 第一章绪论 接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小等优点，对于焊接裂纹敏感性 强的7 x x x 系列铝合金十分有利。搅拌摩擦焊接技术是一个将机械能转化为热能 的过程，利用焊接过程产生的摩擦热和塑性变形能来实现材料的连接，已经在航 空、航天、船舶等领域得到了成功的应用。 飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥 梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形 式。大量的统计资料说明，由于疲劳失效的金属结构，约占失效结构的9 0 。疲 劳一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往从焊接接头处产生，所以焊 接接头的疲劳性能是我们必须关注的主要问题之一。 近年来，虽然在疲劳方面的研究已经取得了很大成绩，但是焊接结构的断裂 事故仍然发生，而且随着焊接结构的广泛应用有所增加。采用搅拌摩擦焊技术不 仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属，而且能焊接许多熔化焊接性能差的金 属，如铝合金、钛合金、铜合金等。随着航空铝合金在飞机上的广泛应用，其连 接将主要由搅拌摩擦焊完成，接头的疲劳性能与其使用寿命密切相关。在已经公 开的文献和报告中，国内外大多数的研究都是围绕优化搅拌摩擦焊工艺和表征其 纤维组织变化而展开削孓7 1 ，而对搅拌摩擦焊接接头的疲劳行为的研究国外进行 了少量报道f 引。目前所有的疲劳设计规范均建立在熔焊接头疲劳数据的基础上， 搅拌摩擦焊接头的几何形状及有关试验数据还没有涉及。由于熔焊接头普遍存在 加强高、焊趾和焊根，影响焊接接头疲劳性能。而搅拌摩擦焊接头与熔焊接头几 何形状具有很大差异，不存在加强高、焊趾和焊根，因而采用现有的疲劳设计规 范评定搅拌摩擦焊接头的疲劳行为具有明显的局限性。因此本实验研究航空铝合 金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展速率情况具有重要意义，有助于建立搅拌摩擦焊 接接头的疲劳试验标准，推动其在航天、高速客车等领域的进一步应用。 1 2f s w 疲劳性能研究现状综述 1 2 1 疲劳断裂行为 关于疲劳裂纹的扩展速率是早期疲劳研究的课题之一，有关疲劳的研究已经 有一百多年的历史，但是直到1 9 5 5 年，有关疲劳裂纹的研究才有了明显的进展。 6 0 年代初，p a r i s 将断裂力学应用于研究疲劳裂纹的扩展以后，在这一领域中的研 究得到迅速的发展。在宇航研究方面更是如此，并构成了一个内容相当广泛的专 业。对疲劳裂纹的扩展研究，主要考虑在循环载荷的作用下，金属的裂纹如何扩 展，研究的主要内容有，疲劳裂纹扩展的一般规律、微观机制、力学模型，以及 各种因素对疲劳裂纹扩展的影响。 第一章绪论 工程材料和构件在使用过程中，由于承受循环变动载荷的影响，萌生裂纹， 并扩展，以致最终断裂的整个过程，称为“金属的疲劳，是在交变应力作用下， 金属材料发生的破坏现象。疲劳断裂的过程一般分三个阶段，首先是疲劳裂纹的 萌生，其次是疲劳裂纹稳定扩展，最后是断裂。当然，这三个阶段没有严格的界 限。当a k d 于某- - i t 缶界值a k 。h 时，疲劳裂纹不扩展，此阶段包括微裂纹的萌生， 微裂纹的长大同继之在门槛值( a k 。h ) 附近宏观裂纹的缓慢扩展。当a k a k 。h 时， 裂纹开始扩展，并随着循环次数的增加，裂纹扩展长度逐渐增加，开始扩展比较 慢，而且扩展速率相对稳定，快要断裂时裂纹明显加速扩展，直至k 。i 2 k 至u k ， 时试样断裂。 金属材料承受变动载荷时，其组织和性能都要发生变化。开始时这些变化在 受载金属中均匀发生，随着循环次数增多，某些变化在局部区域中集中，使这部 分材料发生分离，即萌生微观的疲劳裂纹，然后逐渐扩展为宏观裂纹。宏观裂纹 逐渐扩展，疲劳裂纹的长度随着循环周次缓慢地增大，以致于达到某一临界值后 突然断裂。裂纹只是一种特殊形状的缺口，譬如椭圆缺口当其短轴与长轴之比趋 于零时便是裂纹。金属材料的断裂可以有两种形式，即正断与切断p j 。切变主要 由高度局部化的剪切形变产生。由于晶面结构的各向异性，切变也只发生在那些 滑移阻力小的晶面上。在多晶试样中如果存在内应力集中的地方，如空洞等，此 时切变产生的前进方向既取决于最大分切应力的方向也取决于上述内应力的集 中，所以裂纹的长大与空洞的形成以及局部塑性变形导致的空洞连通都有关。裂 纹尖端材料元的断裂可能是正断，也可能是切断，取决于材料的显微组织、力学 性能，以及裂纹尖端的力学状态。疲劳断裂是焊接结构失效的一种主要形式，和 其它的断裂类似，在裂纹萌生前试样内部就有很多微观活动，如试样在任意k 下作恒应变疲劳时均有疲劳硬化现象，当累积应变达到一定的程度硬化便趋于饱 i 和【l o 】。 金属材料疲劳断裂的特点是：载荷应力是交变的；载荷的作用时间较长；断 裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前无明显的预兆，而是突然地破坏；疲劳破 坏能清楚地显示出裂纹的产生、扩展和断裂三个组成部份。疲劳破坏变形不明显， 很难看出来，在裂纹成长的初期尤是如此。即使在实验室的理想状态下，能够预 计到裂纹可能在那个位置产生，要想看出来也是很难的。产生裂纹的部件不发生 明显的尺寸变化，裂纹在未被发现之前可以自由的发展到一个相当的程度，因而， 疲劳破坏是很危险的，往往给人们的生命财产带来损失。 疲劳破坏有许多不同的形式：它包括循环受载部件的温度变动时引入的热机 械疲劳；仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳；循环载荷同高温联合作用引 起的蠕变疲劳；在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐 3 第一章绪论 蚀疲劳；载荷的反复作用与材料之问的滚动接触相结合产生的滚动接触疲劳；脉 动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的微动疲劳等。机器和 结构部件的失效大多数是由于发生上述某一种疲劳过程造成的，必须重视。 有研究表明，金属材料的抗裂纹扩展能力与通过静拉伸试验测得的延伸率的 大小成正比，与材料的屈服强度成反比i 】。这说明裂纹顶端塑性区的大小和塑性 变形量对裂纹的扩展具有一定的阻碍作用。在应力比较低时，“疲劳”的面积就 相对地大些；在应力比较高时，“疲劳”的面积就相应的较小。最后断裂面是晶 状还是纤维状，主要看是脆性断裂还是塑性断裂【1 2 】。 疲劳裂纹扩展速率提供了有关材料在具体载荷条件下“极限”疲劳抗力的信 息，其中裂纹达到临界尺寸的裂纹速率很有研究意义，超过该速率将导致灾难性 的后果。材料科学要求材料具有好的抵抗裂纹扩展的性能。在许多情况下，这些 性能和高的静载强度是不一致的。在航空工业中，曾将一些a 1 z n m g 合金制造 的部件用具有极低强度i 钓i a i c u m g 合金代替，他们表现出具有较低的裂纹扩展 速率外，在存在裂纹时又表现出更高的静强度i l3 1 。疲劳裂纹的扩展，一般假定是 由裂纹的顶端前方材料元的断裂引起的，倘若这些材料在受力时不发生断裂，裂 纹将不能扩展。 1 2 2 目前国内外f s w 疲劳试验结果 一些研究表明搅拌摩擦焊接接头和熔焊接头( m i g 焊、等离子弧焊、激光 焊、电焊) 的疲劳性能相当甚至更好【1 4 - 1 6 。与搅拌摩擦焊接头相比，t i g 焊接接 头的疲劳性能要差一些，尽管t i g 焊接接头试样在试验前经过机加工和抛光， 搅拌摩擦焊接头表面未作处理。在循环5 x 1 0 6 周次时，搅拌摩擦焊接接头和t i g 焊接接头的疲劳强度分别为母材的7 6 和7 3 。 m a t se r i c s s o n 等人对搅拌摩擦焊接的a i m g s i 合金6 0 8 2 的焊接接头的疲劳 裂纹扩展特性进行了研究。疲劳裂纹扩展过程采用电压降法测量裂纹扩展长度， 在高、低两种疲劳载荷比( 应力比r ) 条件进行了试验。结果发现，在低的应力 比( r = o 1 ) 和低应力强度因子a k 下，焊缝的疲劳裂纹扩展速率比母材的高3 5 倍。但是，在接近断裂时两者的疲劳裂纹扩展速率逐渐相互接近。在高的应力比 ( i p 0 8 ) 下，母材和焊缝中的疲劳裂纹扩展速度接近。焊缝中疲劳裂纹扩展速 率在高、低r 值下基本相等( 接近断裂时的情况除外) ，而母材的疲劳裂纹扩展 速率在高r 值时则增加i j 川。 早期的研究认为疲劳裂纹萌生于表面缺陷处，如未融合、气孔等。焊缝中的 气孔使疲劳寿命衰退，然而在搅拌摩擦焊接接头中，金属在塑性状态下成形，几 乎没有气孔等缺陷。j a m e s 等人认为搅拌摩擦焊接接头中的洋葱环铸造组织缺陷， 4 第一章绪论 还有根部缺陷都对疲劳性能有影响。 搅拌摩擦焊接接头获得较好的疲劳性能归因于以下因素。首先，细晶粒焊缝 组织，比母材的颗粒要细小，这将降低疲劳裂纹扩展速率。其次，焊缝的表面和 背面要光滑，这样可以提高裂纹萌生时间。最后，焊接接头要有相对低的残余应 力【1 8 1 。 疲劳裂纹扩展试验为我们了解焊缝与热影响区的疲劳特性提供了重要信息。 有研究表明，常用的两种航空铝合金2 x x x ( a i c u ) 系列和7 x x x ( a 1 z n ) 1 9 2 0 1 ， 尤其在应力强度因子范围k 较低，应力比r 较低时。也有研究表明，6 x x 系 列的铝合金搅拌摩擦焊接接头的焊缝、热机影响区、热影响区的抗疲劳扩展速率 能力要好于母材。原因之一是好的晶粒组织1 2 1 1 ，它减缓裂纹扩展速率，尤其是在 应力强度因子范围较高时。残余应力与应力比对疲劳性能影响不可忽视。在应力 比较小时，应力强度因子范围较高时，残余应力对接头疲劳性能影响的研究很重 要，在这种情况下，即使很小的残余应力也会影响到焊接接头的疲劳裂纹扩展速 率的快慢1 2 2 1 。 j o h n 等人就残余应力对航空铝合金和钛合金搅拌摩擦焊近门槛值的疲劳裂 纹扩展的影响进行了研究【2 3 1 。通过d a d n z k k 的关系曲线图上得出：r = 0 5 时c ( t ) 试样的门槛值约为5 2 m p a i t i 耽，比a f g r o w l 2 4 1 提供的母材门槛值约2 2 m p a m 抛 明显要高，而m ( t ) 试样的门槛值只有1 5 m p a m 2 ；当r 升高到0 8 时，c ( t ) 的 门槛值都到了1 6m p a m 2 ，与母材差不多，m ( t ) 的也和母材一样。这表明热影 响区的裂纹扩展速度在低循环比下与试样的几何尺寸有很大的关系，相反在高循 环比下则不明显。 由于高的裂纹闭合现象，7 0 7 5 铝合金搅拌摩擦焊接接头热影响区的裂纹扩 展速率低于母材和焊缝，裂纹扩展门槛值高于母材和焊缝。焊接热影响区经过人 工时效，有大量的沉淀物存在，与之相关的残余应力和低的屈服强度可能改变了 裂纹尖端的变形过程。 在国内，对于疲劳的研究也有了很大的进展。已有研究表明，l f 2 铝合金搅 拌摩擦焊接头具有细小的等轴晶和狭窄的热影响区，妨碍了滑移带的形成和裂纹 的扩展，表现出良好的疲劳性能，疲劳寿命n = 10 6 次的疲劳强度为5 9 , - - - ，6 5 m p 【2 川。 通过对5 a 0 6 铝合金搅拌摩擦焊和m i g 焊接接头疲劳性能的研究发现，f s w 的疲 劳强度明显高于m i g 焊接接头，搅拌摩擦焊接根部的“吻接”缺陷是降低搅拌摩 擦焊接接头疲劳寿命的主要因素，旋转搅拌工具在焊缝表面形成的多余飞边将对 疲劳行为产生明显影响 2 6 】。2 0 m m 厚的7 a 5 2 铝合金，在合理的工艺参数下，接头 强度可达母材的8 7 ；焊核区发生动态再结晶，生成细小等轴晶粒。断口分析表明， 搅拌摩擦焊接头断口为明显的韧窝形貌，并用位错理论解释了微观断裂机制1 2 7 i 。 第一章绪论 大多数情况下，疲劳裂纹起源于表面的焊接缺陷，在疲劳裂纹四周都有一个光滑 带，而且要延伸到疲劳断裂的边缘。疲劳裂纹的长大机制比成核机制要复杂很多。 尽管现在已经提出了近百个疲劳裂纹扩展公式，但是仍然没有一个公式适用 于各种具有不同显微组织的金属材料。完善的疲劳裂纹扩展公式，应该能定量的 表明疲劳裂纹扩展速率与各个参数之间的关系，如应力强度因子范围、金属的力 学性能、应力比r 等，并且能很好的说明根据大量的试验结果总结出来的裂纹 扩展的一般规律。这样的公式只有在合理的疲劳裂纹扩展力学模型的基础上，才 能得出。 1 2 3 影响f s w 疲劳裂纹扩展的因素 影响熔焊接头疲劳性能的因素有，应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情 况、介质等，焊接结构本身的一些特点也同样对疲劳性能有影响，如接头部位近 焊缝区性能的改变，焊接残余应力等也可能对焊接结构疲劳强度发生影响。搅拌 摩擦焊接技术作为一种新型的固相连接技术，与熔焊相比，在焊接接头的形成机 制和性能方面有着显著的区别。影响搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展速率的因素主要有 母材、焊接缺陷、工艺参数、搅拌工具、焊后处理工艺等。 ( 1 ) 母材 搅拌摩擦焊接不存在材料的熔化，是一项固相连接技术，理论上讲，只要材 料在高温下具有一定的塑性流变能力，就有可能采用搅拌摩擦焊技术进行焊接。 它几乎可以焊接所有系列的铝合金材料，如2 x x x ( a i c u ) 系列、3 x x x ( a i m n ) 系列、4 x x x ( a i s i ) 系列、5 x x x ( a i m g ) 系列、6 x x x ( a 1 m g s i ) 系列、7 x x x ( a 1 z n ) 系列、8 x x x ( a 1 l i ) 系列等以及铝基复合材料( m m c ) ，尤其是对于 传统焊接方法认为“不可焊接”的，在宇航结构件中经常使用的2 x x 和7 x x x 系 列热处理沉淀强化和冷作硬化高强铝合金材料也可以得到可靠连接1 2 引。 母材的抗拉强度对焊接接头的疲劳性能的影响是疲劳研究的热点问题之一。 金属材料疲劳极限与抗拉强度之间有很好的线性相关性，根据以上结果已经建立 了许多估算材料疲劳性能的近似公式。对于焊接接头的疲劳，普遍认为，在短寿 命区( 循环次数n 1 0 6 ) 焊缝 表面的旋转加工痕迹往往也是疲劳裂纹产生的根源之一。 通过对2 2l9 铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能研究发现，焊缝根部“吻 接”缺陷是影响搅拌摩擦焊接头疲劳行为的主要因素。无“吻接”缺陷试样断裂 于焊缝前进边侧，疲劳裂纹起源于焊缝底部，接头具有较高疲劳寿命；有“吻接 缺陷试样断裂于焊核中心，疲劳裂纹起源于“吻接”处，接头疲劳寿命较短i j 引。 根部缺陷是搅拌摩擦焊接单面焊接双面成形难以解决的问题，而且传统的无 损检测方法如x 射线探伤、超声波探测等现在检测不到焊缝根部“吻接”缺陷， 对根部缺陷以及其他缺陷的深度研究对于裂纹扩展速率以及疲劳寿命的研究意 义重大。 ( 3 ) 工艺参数 第一章绪论 搅拌工具旋转速度、移动速度和轴肩压力是决定搅拌摩擦焊焊缝成形及接头 组织、性能的重要因素，他们直接影响焊接时的热输入。转速越高、移动速度越 慢、压力越大，则热输入越大，热塑性层的塑性流动及搅动也越充分，铝合金表 面的氧化膜破碎也越充分，并弥散到基体中从而形成成形良好的焊缝，此时接头 的疲劳性能就好些；当然，焊接参数要适中，不能过大。例如，搅拌速度过高时， 塑性材料填充搅拌针行走形成的空腔的能力变弱，焊缝内容易形成一条狭长而且 平行于焊接方向的隧道沟，导致接头强度大幅度降低。反之，热输入低将导致塑 性流动不充分不能产生连接或者连接强度很低并产生缺陷，降低接头的疲劳性 能。 搅拌摩擦焊接工艺参数对接头疲劳的影响比较复杂，目前还没有定论。h o r i 等人认为对于特定的比值v w ，f s w 接头的疲劳性能不受搅拌工具转速影响【3 4 】。 然而，b i a l l a s 等人认为，如果v w 比值不变，1 。6 m m 和4 m m 厚的2 0 2 4 a 1 t 3 铝合金 搅拌摩擦焊接接头的疲劳性能随着搅拌工具的旋转速度和移动速度的加快而提 高1 3 5 , 3 6 。 搅拌摩擦焊接时，搅拌头的仰角对接头的性能也有影响，仰角主要通过改变 接头致密性、软化材料填充能力、热循环和残余应力来影响接头性能。一般使搅 拌头向后倾斜，以便对焊缝施加压力。如果仰角过低，轴肩下方软化材料填充空 腔能力较弱，焊核区热机影响区界面处易形成孔洞缺陷，导致接头强度较低。 若仰角增大，搅拌头轴肩与焊件摩擦力增大，焊接热作用程度增大，间接影响接 头的疲劳性能。 在一定范围内，采用搅拌摩擦焊方法对1 0 m m 厚的2 51 9 高强铝厚板进行焊 接，随着转速或焊速的增加，焊缝强度都呈现出先增加后减小的特征，在转速为 2 0 0 0r m i n 、焊速为1 5 0m m m i n 时，可获得较好的焊接接头，其抗拉强度达到最 大值2 9 8 m p a l 3 7 。在实际焊接中，工艺参数选择不当会产生缺陷，降低接头的疲 劳性能。c a v a i i e r e p 等人研究了焊接参数对a a 6 0 5 6 铝合金搅拌摩擦焊接接头疲 劳性能的影响，搅拌头旋转速度分别为5 0 0 r p m 、8 0 0 r p m 和10 0 0 r p m ，焊速依次 为4 0 m m m i n 、5 6 m m m i n 和8 0 m m m i n ，发现不同的焊接参数对疲劳性能影响较 大。对于所有试样，焊速为5 6 m m m i n 时，低周疲劳性能最好。焊速和转速对高 周疲劳的影响没有统一的规律，同样的应力强度范围，焊速为4 0 m m m i n 或者 8 0 m m m i n 时，搅拌头旋转速度为8 0 0 r p m 时断裂前循环系数最多。焊速为 5 6 m m m i n 时，搅拌头旋转速度为5 0 0 r p m 时断裂前循环系数最多【3 引。 ( 4 ) 搅拌头 在用材料为1c r l8 n i 9 t i 制作的搅拌头焊接5 x x x 铝合金时，在焊接长度约为 8 0 m m 后，搅拌头磨损严重，由圆台状变为近圆柱状，如果继续焊接，将产生焊 第一章绪论 接缺陷，并且焊缝成形质量较差。搅拌焊头是搅拌摩擦焊接技术所采用的种非 消耗的可旋转的焊接工具，其结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心，是搅拌摩擦焊 工艺中最重要的技术之一。 搅拌摩擦焊工具由三个部分组成：夹持部分、肩部及搅拌焊针。随着人们对 搅拌摩擦焊接技术的研究越来越深入，为了适应各种情况科研工作者设计出了各 种形状的搅拌头 3 9 - 4 1 。搅拌头的设计形式对焊缝的机械性能会产生重要的影响； 不同形式的搅拌头所能焊接的最大板厚是不一样的。针对不同的焊接材料和结 构，需要设计出不同的搅拌头，从而实现焊接材料更好的连接。搅拌头的形状有 圆柱形、螺柱形、正圆锥形和倒圆锥形等。其中柱形搅拌头在周围软化金属的向 下旋压的作用力比较弱，软化的金属流动性较差，造成焊后接头性能较差，而且 柱形搅拌探头在焊接进行的瞬间，容易造成搅拌探头从根部断裂，或者经过较少 的几次焊接后，搅拌头在焊接起始瞬间断裂f 4 2 1 。螺旋形搅拌焊针在旋转的同时， 产生向下的锻造力，而且可以破碎和分散工件接合处的氧化膜，更有利于焊缝金 属的焊合及成型，提高接头强度，从而某种程度上提高铝合金搅拌摩擦焊接接头 的疲劳性能。此外，螺旋形搅拌头上的螺旋状的凹槽和螺纹可以增加搅拌头的表 面积，也就增加了搅拌头与金属的接触面积，从而产生更多的摩擦热量。偏心式 搅拌焊针可增大摩擦面积并使热塑性材料更易于流动1 4 引，从而实现塑性金属更好 的连接，提高接头疲劳性能。 搅拌焊接工具的材料和形状及尺寸是得到高质量焊缝以及优良力学性能的 关键。首先，为了达到更好的焊接效果，好的轴肩是很重要的。轴肩的作用是与 工件摩擦产生热量的同时将一种特殊的几何形貌使塑性金属填充进焊缝。该几何 形状有两个作用，一个是通过与焊件表面间的摩擦，提供焊接热源，一个是提供 一个封闭的焊接环境，防止塑性金属溢出。轴肩的直径与搅拌探头的根部直径密 切相关，一般取搅拌探头直径的2 6 - 2 8 倍。肩部尺寸过大，热输入量增加，将 导致热影响区尺寸增大，同时焊件易产生变形；肩部尺寸过小，容易导致提供的 热量不足，金属的塑性流动不充分，最终导致连接强度不够，甚至表面产生沟槽。 焊接工具的肩部尺寸选取应考虑焊件材料等多方面的因素。其次，搅拌针的设计 也是很重要的。搅拌针的形状设计有三个要点：一是要产生充分的搅拌效果；二 是提高搅拌热的利用率；三是搅拌针对塑化的金属要产生向下的旋压作用以获得 致密的高质量焊缝。搅拌针在焊接过程中不仅通过与接合面的摩擦来产生热量， 更重要的是起到机械搅拌作用，因而搅拌针的形状和几何尺寸影响着软化金属的 流动形式和被切削材料的体积，进而影响接头的力学性能。 ( 5 ) 焊后处理工艺 h a t a m l e h o 等人研究了喷丸和激光冲击对于7 0 7 5 t 7 3 51 铝合金搅拌摩擦焊 9 第一章绪论 接接头疲劳性能的影响，结果发现，对于激光冲击后的搅拌头，疲劳辉纹间距比 没有冲击的试样和喷丸试样小，抗疲劳裂纹扩展能力明显提高，喷丸没有明显减 少疲劳裂纹扩展速率。裂纹扩展速率的降低归因于激光冲击后产生的压缩残余应 力1 删。也有研究表明，喷丸处理对高载情况下焊缝疲劳强度提高不大，其疲劳曲 线与焊缝消除应力后的疲劳曲线在高载荷区域基本重合，主要原因是喷丸层底部 在高载荷条件下屈服，使得焊缝压缩残余应力重新分布，逐渐变为拉伸残余应力 所致f 4 5 】。 热处理时间和温度在铝合金的沉淀强化过程中具有重要的作用。时效初期， 晶格中大量的扩散空位和聚集层的形成干扰了晶格的规则排序，使得焊缝机械性 能和疲劳性能都有所提高。经失效后，单个沉淀晶粒变大总数却在减少，导致为 错阻力变小，疲劳性能降低。 通过对8 m m 厚的7 0 7 5 。t 6 5 l 铝合金轧板搅拌摩擦焊接接头( 焊后热处理和背 面二次焊接两种状态) 的研究，发现背面二次焊接后，接头的抗拉性能显著提高。 经过焊后热处理的接头维氏硬度能够和母材相等，但是由于s 形曲线的出现和晶 粒的反常长大，强度和延伸率明显降低1 4 6 。g o l o b o r o d k o a 等人对7 0 7 5 t 6 铝合 金轧板搅拌摩擦焊接接头的研究发现，当加热温度在6 2 3 k 以上，不超过7 2 3 k 保 持三十分钟静态退火时，焊核区的晶粒微观结构稳定不变，超过7 2 3 k 直到7 7 3 k 时，晶粒将不规则的长大，甚至长到毫米数量级。焊核区在6 2 3 k 倒7 2 3 k 之间表 现出超塑性行为，延伸率在6 7 3 k 时为4 4 0 ，应变率为1 1 0 3 s _ 1 47 | 。上面两项研 究虽然不是直接研究了焊后热处理对于搅拌摩擦焊接接头疲劳性能的影响，但接 头的晶粒大小，强度和延伸率与疲劳性能是分不开的。 6 x x x 系列铝合金在4 4 7 k 4 7 3 k 温度区间时效6 8 个小时，可以使其机械性能 和疲劳性能都得到较大的提高，而且对于焊后时效处理该方法同样有效 4 8 1 b u s s u 等人认为去除搅拌摩擦焊接接头表面和背面各0 5 m m 的薄层，并消除侧面不平整 缺陷，无论是横向还是纵向的f s w 试样，疲劳性能均与母材相当一引。m a g n u s s o n 等人也认为如果铣去搅拌摩擦焊接接头表面0 1 o 1 5 m m 的薄层，接头的疲劳强度 将显著提高1 5 0 。 1 2 4f s w 残余应力的影响 焊接残余应力对于结构疲劳强度的影响是人们广泛关注的问题。在传统熔焊 中导致焊接接头的疲劳性能与母