（材料加工工程专业论文）7075t6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展与断口特征研究.pdf

摘要 搅拌摩擦焊( f s w ) 作为一种新型固相连接技术，其在铝合金等轻型合金连 接方面具有很大的优势。国内外已经对f s w 的工艺参数、组织结构和焊接缺陷 等方面进行了研究，但是对其接头的疲劳性能研究却很少，尤其是在国内。建立 合理有效的疲劳评定标准是f s w 技术推广和应用的必要条件。 本文通过对7 0 7 5 t 6 铝合金f s w 接头的金相试验发现：焊接接头由焊核区、 热机影响区和热影响区组成。其中焊核区是由大量细小等轴晶组成，而热机影响 区的晶粒受搅拌头的作用被拉长。另外通过焊接接头硬度试验发现：焊缝区硬度 呈近“w ”形分布，焊核区的硬度值仅低于母材，达到16 0 h v ，前进侧h a z 硬 度值最低，接近】0 0 h v ，成为整个接头最薄弱的区域；还有焊缝区域的硬度分 布和微观组织的变化相对应。 本文通过对7 0 7 5 t 6 f s w 接头不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行实验，来研 究铝合金f s w 接头的疲劳性能。实验结果表明：后退侧h a z 疲劳裂纹扩展速 率最慢，而垂直于焊缝区的扩展速率则最快；焊缝中心区的扩展速率在低k 区 会低于前进侧h a z ，而到裂纹扩展后期，疲劳裂纹扩展速率会高于前进侧儿坦； 与i i w 标准的特征值相比，所有区域的疲劳裂纹扩展速率均显著低于推荐值， 这说明f s w 接头的疲劳性能较好。再从母材性能、残余应力、工艺参数、接头 形状、焊接缺陷、接头表面状况等角度出发分析了影响铝合金f s w 接头疲劳裂 纹扩展速率的因素，其中残余应力和焊接缺陷的影响较大，可以从这两方面出发 来改善接头的止裂性能。 我们还对7 0 7 5 t 6 f s w 接头的疲劳断口进行了s e m 观察发现：焊缝中心的 疲劳断口较平整，而其它区域的疲劳断口较粗糙；且焊缝中心的断裂形式始终是 沿晶断裂，而其它区域却是在扩展初期是沿晶断裂，而在扩展后期是穿晶断裂。 另外在焊缝中心区的疲劳断口观察不到疲劳辉纹，而在h a z 和垂直于焊缝区的 疲劳断口中都观察到了疲劳辉纹的出现，这跟试样的受力状态和材料性能有关 系。 关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；疲劳裂纹扩展速率；焊接缺陷；电子扫描电镜； 疲劳断口 a b s t r a c t f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ( f s w ) ，a san e ws o l i ds t a t ew e l d i n gt e c h n o l o g y , h a s p o s s e s s e dm a n ys i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si nl i g h ta l l o y s ，s u c ha sa 1a l l o y s t h e r ea r e m a n ) r e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，j o i n t ss t r u c t u r ea n d w e l d i n gd e f e c t s ，b u tt h es u b j e c t s o nt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fj o i n t si ss e l d o m ， e s p e c i a l l yi nd o m e s t i c b u i l d i n ga r e a s o n a b l ef a t i g u ea s s e s s m e n tn o r mi san e c e s s a r y c o n d i t i o nf o rt h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ff s 彤 i n t h i st h e s i s 。t h r o u g ht h em e t a l l o g r a p h i c a lt e s t so ft h ef s w e l d e da a 7 0 7 5 一t 6 a n dd i s c o v e r e dt h a tt h ew e l d i n gj o i n tw a sc o m p o s e do fw e l dn u g g e t ( w n ) ，t h e r m a l m e c h a n i c a la f f e c t e dz o n e ( t m a z ) a n dh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) t h ew e l d n u g g e tw a sm a d eu po ff i n ee q u i a x i a lr e c r y s t a l l i z e dg r a i n sa n dt h eg r a i n si nt h e t m a zh a v eb e e ne l o n g a t e d a n dt h r o u g ht h eh a r d n e s st e s t sw ef o u n dt h a th a r d n e s s p r o f i l ed e m o n s t r a t e da st h e w ”t h eh a r d n e s sv a l u ei nt h ew n i st h es e c o n dh i g ha n d r e a c ht o16 0 h vt h el o w e s tv a l u ei si nt h ea d v a n c i n gs i d eo fh a zi nt h ej o i n ta n d c l o s et o10 0 h vt h eh a r d n e s sv a r i e da st h em i c r o s t r c u t u r ev a r i e di nt h ej o i n t s i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ff s wj o i n t st h r o u g ht h ef a t i g u e c r a c kp r o p a g a t i o nt e s t si nd i f f e r e n tp l a c e so ft h ef s w e l d e da a 7 0 7 5 一t 6 t h ef a t i g u e t e s t si n d i c a t e dt h a tt h ef c pr a t ei nt h er e t r e a t i n gs i d eo ft h eh a z w a st h el o w e s ta n d t h eh i g h e s tw a si nt h er e g i o np e r p e n d i c u l a rt ot h ew e l dl i n e i nt h el o wa kr e g i m e ， t h ef c pr a t ei nw nw a sl o w e rt h a ni ti nt h ea d v a n c i n gs i d eo ft h eh a z ；b u ti nt h e h i g ha kr e g i m e ，t h es i t u a t i o nw a sc o n t r a r y c o m p a r e dw i t ht h es t a n d a r do fi i w , t h e f c pr a t e si na l lr e g i o n sw e r el o w e rt h a nt h ed a t ar e c o m m e n d e di ni i wa n di tc a n c o n c l u d e dt h a tt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ff s w e l d e da a 7 0 7 5 - t 6 t h e nw ed i s c u s s e d t h ef a c t o r sa f f e c t e dt h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o ni nt h ef s wa ia l l o y s ，i n c l u d i n gt h e b a s em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，r e s i d u a ls t r e s s ，w e l d i n gp a r a m e t e r s ，j o i n t ss h a p e ，w e l d i n g d e f e c t sa n dj o i n t ss u r f a c e a m o n gt h e s e ，r e s i d u a ls t r e s sa n dw e l d i n gd e f e c t sw e r et h e k e yf a c t o r sa n dw ec a nd os o m e t h i n gt oi m p r o v et h er e s i s t a n c et ot h ef a t i g u ec r a c ko n t h et w of a c t o r s w ea l s oo b s e r v e dt h ef a t i g u ef r a c t u r eo ft h ef s w e l da a 7 0 7 5 - - t 6u s i n gt h es e m a n df o u n dt h a tf a t i g u ef r a c t u r ei nt h ew e l dn u g g e tw a ss m o o t ha n df a t i g u ef r a c t u r ei n o t h e ra r e a sw e r er a t h e rc r u d e t h ef r a c t u r em o d ei nt h ew nw a sa l w a y si n t e r g r a n u l a r f a i l u r ea n dt h ef r a c t u r em o d e si no t h e ra r e a sw e r ei n t e r g r a n u l a rf a i l u r ei nt h eb e g i n n i n g a n di n t r a c r y s t a l l i n ef a i l u r ei nt h el a t e r a n dw ec a n tf i n df a t i g u es t r i a t i o ni nt h ew n ， b u tw ed i s c o v e r e di ti nh a za n dp e r p e n d i c u l a rt ot h ew e l d i n gz o n e t h i si si nr e l a t i o n t ot h es t r e s sc o n d i t i o ni nt h es p e c i m e n sa n dt h ep r o p e r t i e so ft h eb a s em e t a l k e y w o r d s ：f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，a ia ll 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 ，w e l d i n g d e f e c t s ，s e m ，f a t i g u ef r a c t u r e 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，也不包含为获得丞盗盘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。 学位论文作者獬馓力亏签字r 期：年d 阳“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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。同意学校 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) 凇一躲慊斫呼 签字r 期：矽睁口月口6 日 翩签名：俪冬科否 签字同期：7 矽。肄6 月易日 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 进入2 1 世纪，能源问题已经成为世界上所有国家经济发展的制约因素，节 约能源成为大家的共识，而构件轻量化是其中重要途径。构件轻量化是指大量使 用比强度高的材料，通过减轻构件重量来减少能源消耗，并且能减轻环境污染。 通常使用的轻合金包括铝合金、钛合金和镁合金，但使用最多的还是铝合金。铝 合金材料具有比强度高，耐腐蚀和易成形等一系列优点，日益受到工业界的重视。 随着各种新型铝合金材料的出现，如新型牌号的硬铝和超硬铝( 2 x x x 和7 x x x 系列) 的出现，这些材料在航空、航天、高速列车和高速舰船等工业制造领域得 到越来越广泛的应用。但是，铝合金具有熔点低、热传导系数较大、热膨胀率高 等特点，如果采用常规熔化焊工艺( t i g 和m i g 焊) 焊接铝合金时，会出现焊接 裂纹倾向、焊接气孔、合金元素烧损、焊接结构残余应力和残余变形较大等问题， 导致焊缝强度下降较大，焊缝质量得不到保证。 搅拌摩擦焊( f i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 是英国焊接研究所( t w i ) 1 9 9 1 年发明的新型固相连接技术，并在全世界范围内申请了专利保护【2 j ，被誉为是继 激光焊接后最为革命性的连接方法。搅拌摩擦焊的焊接最高温度只有相当于铝合 金熔点的0 7 0 9 倍，避免了在焊接接头区域产生较大的温度梯度，使得焊缝的 残余应力大大降低；另外，搅拌摩擦焊轴肩对焊缝施加的压力使得焊后可以得到 较为光滑平整的焊缝，并且没有任何气孔；搅拌头的搅拌可以有效地分散或消减 焊缝中的氧化物和较小的夹杂。因此f s w 技术获得广泛关注，经过十几年的发展， 搅拌摩擦焊技术已经成熟地应用于航空、航天、高速列车和高速舰船等有色金属 制造领域。 随着搅拌摩擦焊技术的不断进步和越来越多轻型高强度合金的应用，搅拌摩 擦焊技术将占有越来越大的比重。因此，关于搅拌摩擦焊的学术问题将会日益增 多，在已公开发表的文献和报告中，大多数都是关于焊接工艺参数和接头显微组 织的，也有部分是搅拌摩擦焊接头力学性能的。但在国内关于搅拌摩擦焊接头疲 劳性能研究的文献还非常之少，尤其是疲劳裂纹扩展速率的文章。铝合金f s w 接头的疲劳性能是f s w 技术应用于工业生产的必要条件，需要建立f s w 接头 的疲劳评定机制，因此铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展速率研究将具有重要 第一章绪论 的学术意义和现实价值。 1 2 国内外搅拌摩擦焊技术发展现状 搅拌摩擦焊自从1 9 9 1 年被英国焊接研究所( t w l ) 发明和申请专利以来， 包括波音、洛克希德马丁公司在内的全世界约有1 3 0 多家公司、大学、研究机 构申请并获得了英国焊接研究所授权的专利使用许可，这有助于其在世界范围内 获得长足发展。搅拌摩擦焊不仅可以用来焊接铝合金，还可以很好地焊接铜及其 合金、锌合金、镁合金、各种结构钢、金属基复合物以及一些热塑性材料；对于 异种材料的焊接，如2 0 2 4 和7 0 7 5 ，铝和铜、锻压板材和铸造铝合金的焊接等， 都有不错的表现。其焊接厚度从最薄时搭接和点焊0 3 m m ，对接o 5 m m ，到最 厚单道可焊7 5 m m 3 4 】。另外，随着搅拌摩擦焊技术和工艺的不断发展和进步， 其焊接接头形式也不断丰富，如图1 1 所示。这些都使搅拌摩擦焊技术已经成为 一种广义的连接和加工技术pj 。 缁缁坦 白钐白彭 膨缸 嘭锣 图1 - l 搅拌摩擦焊接头形式 ( a ) 单面对接接头；( b ) 对接和搭接组合街头；( c ) 单道搭接接头；( d ) 多道搭接接头； ( e ) 双面对接接头；( f ) t 型接头；( g ) 边接接头；( h ) 卷边搭接接头；( i ) 角接和对 接组合街头：( j ) 两个工件t 型搭接接头；( k ) 三个工件t 型对接接头；( 1 ) 角接接头 在国外，搅拌摩擦焊已经在许多制造领域达到规模化、工业化的水平。早在 1 9 9 6 年，h y p e rm a r i n e 公司就已经将搅拌摩擦焊技术成功地应用在铝合金快速舰 船的甲板、侧板等结构件的焊接，年生产7 0 k m 以上的无缺陷铝板，主要用于船 甲板、壳体、船舱壁等。瑞典的s a p 公司等则侧重于铝合金型材的搅拌摩擦焊接， 开发了专用制造设备，用于大型宽幅列车净挤压型材的拼焊。日本的h i t a c h 第一章绪论 公司则率先将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速和低成本制造，目前已广泛 应用于新干线列车、城际列车的制造。美国航天部门成功地焊接了以往用熔焊难 易焊接的7 0 7 5 铝合金低温燃料贮箱，波音公司用2 2 1 9 t 8 7 铝合金生产了d e l t ai v 运载火箭的贮箱【6 】。日本马自达公司成功将搅拌摩擦焊技术应用于轿车铝合金材 质的车身后门和引擎罩的焊接。 在国内，北京航空制造工程研究所于2 0 0 2 年和英国焊接研究所在北京正式 签署了搅拌摩擦焊的专利授权和技术合作协议，注册成立了中国首家专业的搅拌 摩擦焊技术中心北京赛福斯特技术有限公司。另外，国内许多高校( 包括天 津大学，哈尔滨工业大学，兰州理工大学，江苏科技大学等) 也对搅拌摩擦焊技 术进行了广泛的研究。目前我国所开展的搅拌摩擦焊技术的研究主要集中于如铝 合金、镁合金和紫铜等易于成形的材料上，还未见到对钛合金、不锈钢、铝基复 合材料进行搅拌摩擦焊的报道。对于f s w 接头性能的研究主要以拉伸实验和弯 曲实验为主，但对接头其它性能的研究还很少，比如接头的疲劳性能和耐腐蚀性 能等，而这些性能恰恰是f s w 技术应用于实际生产中所不可或缺的指标。因此， 在进行搅拌摩擦焊参数优化的同时，还必须对其工程应用进行全面评估，获得足 够的实验数据，从而加快搅拌摩擦焊技术在我国实用化的进程。 1 3 搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究现状及存在问题 焊接接头的疲劳性能是焊接件非常重要的性能之一，由于焊接接头疲劳性能 差而导致的事故在工业史上也为数不少。但是疲劳断裂具有隐蔽性，工件断裂前 没有显著的塑性变形，因而不容易进行补救。因此在工业制造和工程建设等领域 中，尤其是航空航天等重要结构中，焊接接头的抗疲劳断裂性能就成为评价其使 用性能的重要标准。同样，搅拌摩擦焊接头的疲劳性能是其重要特性，成为其工 业推广的决定因素。 一些研究认为铝合金搅拌摩擦焊接头的疲劳性能优于传统熔焊方法( m l g 、 等离子弧焊接、点焊) 7 - 9 j ，而t i g 焊接头的疲劳性能与f s w 相当。比如在5 1 0 5 周期下，t 1 g 焊接头的疲劳强度与f s w 接头的相等，并且两者的韧性分别达到了 母材的7 6 和7 3 ；但是t i g 焊接头在实验之前是经过抛光处理的，而f s w 接头 的表面没有经过任何优化。 焊接接头的疲劳性能是焊接设计时必须要考虑的，它包括疲劳强度( 通常由 s n 曲线表征) 、疲劳裂纹扩展速率d a d n 与门槛值( 由k 。h 表征) 和腐蚀环境下 的疲劳性能等几个方面【10 1 。下面就简单介绍一下国内外科研工作者在这几方面 的研究情况及存在的问题。 第一章绪论 1 3 1f s w 接头s n 陆线研究 s n 曲线是基于名义应力通过疲劳试验和数据分析获得，是研究焊接接头疲 劳性能的基本方法。 tld i c k e r s o n 等人用含有根部缺陷和不含根部缺陷的铝合金5 0 8 3 o 、 5 0 8 3 h 3 2 和6 0 8 2 t 6 搅拌摩擦焊接头进行比较试验，同时对这些材料中含有板 部缺陷的铝合金f s w 接头进行不同应力比情况下的疲劳研刭。通过s n 曲线的 比较发现：有缺陷的5 0 8 3 o 和6 0 8 2 t 6 接头疲劳性能数据( 应力循环比r = 0 1 ) 分 布在无缺陷接头的疲劳区域之内( r = 0 0 1 ) ，而5 0 8 3 h 3 2 1 ( r = 0 1 ) 的数值都低 于r = 0 5 时的无缺陷接头疲劳线；与e u r o c o d e 9 设计曲线【l2 】进行比较时，3 种材 料的数值都高于部分熔透和全熔透的对接熔焊曲线，同时无缺陷接头的数值也明 显高于双面熔焊的设计曲线。疲劳数据分析表明e u r o c o d e 9 标准应用于f s w 接头 疲劳设计显得过于保守。 。 w a n g l l 3 】研究了铝合金l f 2 搅拌摩擦焊接头的机械性能和疲劳性能，包括s n 曲线的研究。结果表明接头的最大拉伸强度为2 5 2 8 m p a ，并且疲劳强度优越， 可达到母材的9 5 4 。当n = 1 0 6 时，疲劳强度为5 9 6 5 m p a 。接头微结构是由等轴 细晶粒组成，热影响区较窄，能阻止裂纹扩展，因而疲劳寿命较长。其疲劳断口 形貌表明疲劳断裂发生是由于应力变化下滑移带的发展。 mnj a m e s 就焊接速度和“洋葱皮”弱连接缺陷对铝合金5 0 8 3 - h 3 2 1 单道和 双道f s w 接头疲劳性能的影响进行了研究【14 1 。结果表明，在s n 曲线图上，除 了焊速为8 0 m r n m i n 的焊态接头在1 0 6 附近仿佛有渐近x 轴特性以外，其它几组数 据都没有明显的极限：焊接速度从8 0 m m m i n 至02 0 0 m m m i n 这个区间，原始焊态 的试样和抛光的试样其疲劳极限强度( 在1 0 7 以内) 都有所降低，焊态接头降低 了1 9 ，抛光后降低了1 1 ，同时原始焊态试样与抛光后的试样相比，疲劳强 度最大可降低3 l ( 焊速为9 5m m m i n ) 。 瑞典哥本哈根皇家技术研究所的me r i c s s o n 等人对搅拌摩擦焊焊速对接头疲 劳性能的影响进行了研究，并将6 0 8 2 t 6 铝合金的疲劳性能和t i g 、m i g 接头的 疲劳性能进行了对比分析【1 5 】。在应力范围的s n 曲线图中，t 6 状态的6 0 8 2 铝合 金在高低焊速条件下疲劳强度都是9 0 m p a ( 循环次数为5 1 0 5 ) ，特别低的焊速 下约为1 0 0 m p a l l 6 1 ：在应力范围和平均应力的s n 曲线图中，t 4 状态加上焊后热处 3 塑_ ( t 4 + p w a t ) 的铝合金在高低焊速下测试的结果都差不多，在特别低焊速下性能 最好；两种状态的接头在循环次数为5 1 0 5 时应力范围都为9 0 m p a 左右，只是在高 焊速下完成的t 4 + p w a t 的接头在高应力范围区疲劳强度偏高t 6 的接头在低应 力范围区( 小于8 0 m p a ) 疲劳强度偏高，而t i g 时为7 0 m p a ，m i g 时为6 0 m p a 。 cz h o u 等对铝合金5 0 8 3 在搅拌摩擦焊状态下和m i g 焊状态下的疲劳性能进 第一章绪论 行了对比，得出f s w 接头的疲劳寿命是m i g 焊的9 1 2 倍( 应力比r = 0 1 ) ；接头 疲劳特征值从m i g 状态下的3 9 8 m p a 提高到f s w 状态下的6 7 3 m p a ；并且f s w 接 头的s n 曲线都在铝合金设计曲线f a t 3 2 和f a t 4 0 的上面，说明铝合金f s w 接头 的疲劳性能可以满足工业设计要求7 1 。 sl o m o l i n o 等人对部分公开的搅拌摩擦焊接头的s n 疲劳数据进行了概率统 计分析，得出的统计结果对不同条件下的f s w 接头疲劳特性进行分析l l8 i 。对统 计结果分析得出：经过表面处理过的接头性能比原始焊态下有明显提高；当焊速 提高时，高循环次数下疲劳强度也随之有所提高：f s w 接头的回火状态同样对疲 劳性能有重要影响，自然时效的材料比人工时效的材料疲劳强度要高；应力循环 比对疲劳性能的影响在其图中也体现出来，对于a a 5 0 8 3 h 3 2 1 来说在循环次数 为2 1 0 6 时i p l 比r = 0 1 的疲劳强度提高了6 8 。 1 3 2f s w 接头疲劳裂纹扩展速率研究 疲劳裂纹扩展速率研究是应用断裂力学把疲劳设计建立在构件本身存在裂 纹这一客观事实的基础上。按照裂纹在循环载荷下的扩展规律估算结构的寿命是 保证安全工作的重要途径，也是对传统疲劳试验和分析方法的一个重要补充和发 展。 rj o h n 等人研究了残余应力对航空铝合金7 0 5 0 t 7 4 51 和钛合金t i 6 a ! 一4 v 的 搅拌摩擦焊接头的近门槛值的疲劳裂纹扩展的影响9 | 。虽然搅拌摩擦焊接头的 残余应力相对较低，但其对近焊缝的疲劳裂纹扩展速率影响很大。在低应力比 r = 0 0 5 时，c t 试样与m t 试样相比具有相当高的门槛值和低的疲劳裂纹扩展速 率；而让应力比r = 0 8 时，c t 试样与m t 试样的疲劳裂纹扩展速率则相差不大。 这说明热影响区的裂纹扩展速率在低应力比下与试样几何尺寸有很大的关系，相 反在高应力比下则不明显。 gp o u g e t 等人研究了残余应力和组织结构对铝合金2 0 5 0 搅拌摩擦焊接头疲 劳裂纹扩展速率的影响【2 0 1 。结论为：热影响区的压缩残余应力能使裂纹尖端闭 合，从而提高接头的疲劳性能；而在焊核区，由于拉伸残余应力和组织结构的影 响，疲劳裂纹扩展速率有所增快。并且，对疲劳裂纹扩展速率的预测，不仅要考 虑残余应力的作用，还要考虑裂纹所处区域组织结构的作用和其它可以导致裂纹 闭合的因素作用。 q u 2 1 】研究了铝合金5 0 8 3 o 搅拌摩擦焊接头的强度，接头的静载强度足够大， 但是接头的疲劳强度却变化较大。疲劳裂纹总是在f s w 接头焊核区背部萌生，并 且在搅拌区扩展。因此疲劳强度的变化跟搅拌区背部的情况有很大关系。 gb u s s u 和pei r v i n g l 2 2 j 研究了残余应力和热影响区对铝合金2 0 2 4 t 3 5 1 搅拌 第一章绪论 摩擦焊接头的疲劳裂纹扩展速率的影响，得出疲劳裂纹扩展速率由焊接残余应力 和组织显微结构决定，而f s w 接头硬度变化则影响不大。试验中试样分别为表面 裂纹拉伸试样( s c t ) 和紧凑拉伸试样( c t ) 。表面裂纹拉伸试样的缺陷位置分 别是在焊缝中心线上和在无毛刺一边距焊缝中心线1 1 m m ，2 5 m m 处，裂纹垂直 于焊缝：紧凑拉伸试样的缺口平行于焊缝，位置在无飞边的一边距焊缝中心线 6 m m 和2 8 m m 处；残余应力是通过小孔法测得的。实验发现：垂直于焊缝方向扩 展的表面小裂纹在距焊缝中心线“m m 处开裂时扩展速度最快，约是母材的1 0 倍，且门槛值也最低，而在2 5 m m 处开裂时f c g 速度为母材的1 4 ，门槛值也最 高；在c t 试样中，从2 8 m m 处开裂时f c g 速度最快，大约是母材的1 1 0 ，门槛值 为母材的1 2 到1 3 ；从6 m m 处开裂时f c g 速度最慢大约是母材的1 1 5 ，门槛值 为母材的两倍。 邸曙升在其研究中得出，7 0 7 5 t 6 铝合金f s w 接头疲劳裂纹扩展速率虽然比 母材高，但是相差不大，这说明7 0 7 5 t 6 铝合金f s w 接头具有良好的抵抗疲劳 裂纹扩展能力，有广阔的应用前景。 1 3 3 腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展速度和门槛值 由于许多铝合金f s w 接头会在腐蚀条件下服役，因此研究其在腐蚀条件下的 疲劳裂纹扩展情况将会很有意义。psp a o 等人研究了铝合金7 0 5 0 f s w 接头在 3 5 n a c i 溶液中的疲劳裂纹扩展特性，研究得出：( 1 ) 由于高的裂纹闭合水平 ( h i g hc r a c kc l o s u r el e v e l s ) ，f s w 热影响区的疲劳裂纹生长速率非常低，而a k ( 应力强度因子) 比母材要高出许多；( 2 ) 在空气中，f s w 焊核区的疲劳裂纹生 长速率比母材稍高些；( 3 ) 在高a k 和中间a k 区域，f s w 焊核区及h a z 区域的 疲劳裂纹生长速率是在3 5 n a c i 溶液中的两倍；( 4 ) 由于f s w 过程使晶界变得 敏感，当在3 5 n a c l 溶液中时，f s w 焊缝有晶间裂纹| 23 | 。c o r r a l 等人研究了2 0 2 4 和2 1 9 5 ( a 1 l i 合金) 的f s w 接头的腐蚀性能，试验结果证明接头与母材具有相 同的腐蚀行为。 otm i d l i n g 2 4 】在研究中却发现铝合金6 0 8 2 搅拌摩擦焊接头在腐蚀环境下具 有较好的性能，焊核区没有晶间腐蚀、剥落和应力腐蚀裂纹等问题。 1 3 4f s w 接头疲劳研究中存在的问题 目前，在国内外关于f s w 接头疲劳性能研究的文章已发表不少，但这些结 果都是实验性的，缺乏对搅拌摩擦焊接头疲劳性能系统深入的分析。要想推动 f s w 技术在航空航天领域的快速发展，则需要进行更多的实验和分析。目前关 于f s w 接头疲劳的研究应重点解决以下问题。 第一章绪论 ( 1 ) 焊接缺陷对搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹起始和扩展的影响。由于搅拌摩 擦焊缝是塑性流动挤压形成的致密锻造组织，而这些缺陷可能发生在任何角度的 任何方向，这给缺陷的检测带来很大困难。传统的无损检测方法如x 射线探伤、 超声检测及染色渗透法等检测不到焊缝根部弱连接，因此全面深入研究各种缺陷 对疲劳裂纹起始和疲劳寿命的影响就十分重要。 ( 2 ) 母材抗拉强度与铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳强度的依赖关系。对熔焊 接头进行大量试验表明：在长寿命区( 循环次数n 1 0 5 ) 原始焊态熔焊接头的疲 劳强度与母材静载强度o b 无关；其疲劳裂纹扩展特性也与母材性能及焊接工艺方 法的依赖性不大。这是焊接接头疲劳的重要特点，在结构疲劳设计中具有重要指 导意义，这表明采用高强度材料以期望改善焊接结构的抗疲劳特性是不可能的， 即高强度铝合金焊接接头并不意味着具有高的疲劳寿命。对铝合金搅拌摩擦焊接 头的这种基本特点是否存在必须通过试验加以验证。 ( 3 ) 残余应力对铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳强度的影响。试验表明，在存 在高拉伸残余应力( 其值为材料的屈服强度o 。) 的焊接构件中，平均应力对于焊 接接头疲劳强度的影响可以忽略，即由应力范围a g 和循环次数n 表示的s n 曲线 与应力比r 无关，a g 为焊接接头疲劳断裂过程的主要控制参量。但对搅拌摩擦焊 接头而言，已有的研究表明搅拌摩擦焊接头中存在很低的拉伸残余应力( 其值近 似为o 1 5 a 。) 这将对焊接接头的疲劳裂纹萌生、扩展和断裂产生明显影响，仅根 据应力范围o 和焊接接头细节来确定疲劳寿命的方法是否适用于搅拌摩擦焊构 件有待深入研究。 ( 4 ) 国际上还没有一条公认的关于f s w 接头疲劳性能的评价标准。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，还没有包括搅拌摩擦焊 接头的几何形状及有关试验数据。由于熔焊接头普遍存在余高、焊趾和焊根，这 些都是影响焊接接头疲劳强度和寿命的因素，而搅拌摩擦焊接头与熔焊接头局部 几何形状具有很大差异，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。 1 4f s w 接头疲劳性能的影响因素 1 4 1 残余应力 有许多因素导致疲劳裂纹在焊缝区萌生和扩展，而残余应力是其中最重要的 因素，这些相关应力根据它们的范围可以分为整体或局部应力。焊接总是位于整 体应力集中的地方，通常会导致一些缺口，并伴随这一些平面或空间的缺陷。焊 第一章绪论 接过程通常会产生很高的拉伸残余应力，并且由于焊接而导致的微观结构改变是 不利的。通常，一般来说，一些局部作用的影响，比如局部应力场、缺陷状态和 残余应力状态，对构件疲劳性能的影响是很重要的1 2 川。 j o h n 对f s w 接头残余应力的影响进行研究时【l9 】发现：在焊缝周围的表面残余 应力( 在大多数地方约+ 3 0 m p a ) 并没有像文酬2 6 j 所说的那么大( 约士1 5 0 m p a ) ； 尽管平板f s w 时产生的残余应力比较小，但通过对试样的弯曲和拉伸试验，发现 其对近焊缝区的疲劳裂纹扩展还是有重要的影响。i r v i n g 采用机械应力消除法有 效地减小了裂纹扩展速度和门槛值的差异，而对硬度和显微组织没有什么影响， 这就表明残余应力只是对裂纹扩展速度和门槛值的变化起作用；所得到的观察结 果与裂纹闭合模型【2 舛目吻合，残余压应力场减d , a k 。植，残余拉应力场增大a k 。f r 值，局部的硬度和显微组织变化只起次要作用1 2 2 | 。 lf r a t i n i 用小孔法系统地分析了几种铝合金搅拌摩擦焊街头的残余应力在厚 度方向的分布，实验用的材料包括铝合金10 5 0 o 、2 0 2 4 t 4 、6 0 8 2 一t 6 和 7 0 7 5 t 6 1 2 引。实验结果与传统熔焊接头不同，最大残余应力位于靠近搅拌摩擦焊 接头的表面处，比如在与搅拌头轴肩接触的前进侧。通常，表面残余应力值在 1 5 m p a 到4 0 m p a 之间，但在离表面0 5 1 2 5 m m 时，却随深度激增到5 0 1 5 0 m p a ， 如图1 2 所示。因为接头的最大应力值发生在焊缝前进侧的近表面处 ( 0 5 1 2 5 m m ) ，对接头的机械强度有很大的影响，此处的机械强度和疲劳强度 都因为最大残余应力而大幅下降。 第一章绪论 ( c ) 1 5 0 1 2 0 9 0 冒 6 0 萋3 0 0 _ 3 0 右0 a a 7 凹5 下6 l s t c i i r ! ，叫 、z ， 0 ：f 船嘲 图1 2 铝合金7 0 7 5 t 6 残余应力分布 ( a ) 高热输入v f = 1 0 0 m m m i i l ，v r = 1 5 0 0 r p m ( b ) 中热输n v r = 1 4 3 m m m i n ，v r = 1 0 4 0 r p m ( c ) 低热输入v f = 2 0 0 m m m i n ，v r = 7 5 0 r p m 铝合金搅拌摩擦焊的一个优点就是接头的残余应力较低| 26 j ，这有利于焊接接 头保持尺寸稳定性。但是，如此小的残余应力却对铝合金f s w 接头的疲劳裂纹起 始扩展影响较大 2 9 3 0 l 。前面有研究表明，低的残余应力可以改变在裂纹扩展初期 的裂纹驱动力，尤其是在初期疲劳裂纹扩展速率较低的材料中；还有残余应力对 小尺寸试样的疲劳裂纹扩展性能影响不大，但对大尺寸试样的影响却很大【2 9 1 。 j o h n 在研究中发现：热影响区的疲劳裂纹扩展速率在低应力比条件下依赖于试样 几何形状，亦即依赖于试样的残余应力，铝合金7 0 5 0 f s w 接头的纵向和横向残 余应力如图1 3 ( a ) 所示；但是在高应力比下，试样形状对疲劳裂纹扩展速率的影 响却不大，如图1 3 ( b ) 所示【19 1 。 l i f t 富 畔 莹 篁 曼1 9 母 z 罢1 0 - 1 0 厶k ( m p a m ) ( a )( b ) 图1 3 ( a ) 铝合金7 0 5 0 t 7 4 5if s w 接头残余应力分布图 ( b ) 铝台金7 0 5 0 一t 7 4 51 母材f f l j f s w 接头h a z 的疲劳裂纹扩展性能 一乱乏一c_lmc|一_vop 1蜃：u一口coo乱竹一一：尊一曲口叱 第一章绪论 大多数铝台金搅拌摩擦焊侧缘裂纹试样的初始疲劳裂纹扩展速率实验证明 低应力比f 热影响区的扩展速率比母材慢，并且a k 也高：在高应力比下，热影 响区和母材的疲劳裂纹扩展速率重合。这个发现看上去好像与传统的铝合金疲劳 裂纹扩展性能相矛盾，因为热影响区的沉淀强化相是母材晶粒的五倍，而其它晶 粒却是与母材相似。传统理论认为与等轴晶粒组织相比，微结构中粗大的沉淀强 化相通常会失去其连贯性，而导致较高的疲劳裂纹扩展速率。而这些实验结果表 明残余应刃通过影响应力强度因子幅值a k ，从而影响整个疲劳裂纹扩展驱动力， 这对c t 试样的影响要高于m t 试样。即使是很小的残余应力，有时也会导致初始 z 3 k t h 的下降。因此，j o h n 得出残余应力在疲劳裂纹扩展初期起着非常重要的作 用【1 ”。 14 2 母材 铝合金母材性能和回火状态在影响铝合金焊接接头疲劳性能方面是次要因 素，其主要影响接头的低周疲劳性能。这是因为焊接接头的疲劳寿命大多集中在 裂纹萌生和扩展至临界状态两个阶段，并且疲劳裂纹扩展速率对材料的成分，热 处理状态和回火状态并不敏感口“。dc o t c h e n 研究认为在不考虑缺陷类型和材料 厚度的情况下，母材条件( 包括5 x x x ，6 x x x ，7 x x x 系列铝合金) 对不同接头的 疲劳极限没有明显影响p 1 i 。虽然如此，但至少有一个研究表明母材回火状态对 普通弧焊接接头的疲劳强度有明显影响”“。 143 焊接缺陷 图i - 4 a 表示f d i c k e r s o n 在实验中发现的3 种根部缺陷类型，虚线表示疲劳裂 纹扩展方向”。i 。在f s w 过程中缺陷产生概率较低，但由于工艺参数的选择不当 也会产生缺陷。已知的缺陷类型包括未焊透( 探针长度过短而导致) 、空隐和根 部弱连接( “吻接”k i s s i n g b o n d s ，如图l 一4 c ) 以及焊核区洋葱皮( o n i o n - s k i n ) 环状结构中的内部缺陷( 如图1 - 4 b ) 等。缺陷的形成不仅与焊接工具旋转速度焊 接移动速度和工具几何形状有关，还与铝台金材料有关。 十t 涵一 瞩 ，二i攀 一 第一章绪论 - 一 。， b i i 纠- ，- i - o ( c ) 图1 - 4 ( a ) f s w 接头根韶缺陷( b ) f s w 接头“洋葱”匠环截图 ( c ) f s w 接头“吻接”缺陷照片 对于原始焊态的铝合金f s w 对接接头，其根部弱连接缺陷是影响f s w 接头疲 劳性能的主要原因，疲劳裂纹源通常会在此区域萌生，从而加速疲劳裂纹的扩展， 降低疲劳寿命。j a m e s 发现“洋葱皮”缺陷与疲劳裂纹源无关，它发生在裂纹快 速生长区或者是快速断裂区：尽管如此，“洋葱皮”缺陷为两个起始裂纹提供了 轻松连接的渠道，从而影响试样的整体疲劳寿命，同时它们对f s w 接头的断裂韧 性有一定影响”“。 1 4 4 工艺参数 在众多的f s w i 艺参数中，搅拌头( p r o b e ) 转速、移动速度( 焊速) 、搅拌 头和轴肩( s h o u l d e r ) 的尺寸是几个比较重要的参数。搅拌头转速的提高意味着 热量输入的提高移动；速度的加快就联系着输入热量减小，接头的冷却速度变快， 这就在很大程度上减小了焊接过程中的冶金转变( 如增溶作用，二次析出和沉淀 物长大等) ，同时也减小了各个焊缝组织的局部强度“m ：搅拌头尺寸过小就会使 金属堆积于轴肩，从而影响焊接效果【3 l 】；搅拌轴肩的尺寸过大也会引起接头产 生缺陷川。 通常，如果焊接热输入过高的话，即搅拌头转速提高，轴向压力增加，而焊 速降低，往往就会产生飞边缺陷，飞边一般位于前进侧，如图1 - 5 所示。在长寿 命区飞边往往是疲劳裂纹产生的根源，因此在焊接过程中要尽量避免t 如有可 能，可在焊后对焊缝表面进行打磨，以消除其影响。 第一章绪论 14 5 搅拌工具 ! 竺 圈1 - 5 铝舍金揽拌摩擦焊飞边缺陷示意图 搅拌头是搅拌摩擦焊工艺的关键，它的好坏直接决定了焊缝的成形情况，也 就决定了接头的疲劳强度。传统的搅拌头是柱形的，由于它在焊接时所受阻力较 大，容易造成搅拌探针从根部断裂。图1 - 6 w h o r t t m 系列搅拌头，这 些螺旋状的凹槽配合搅拌探针表面粗糙的螺纹能进一步减小搅拌头的体积，另一 方面可以破碎和分散工件结台面处的氧化膜，提高接头的强度和疲劳性能m ”1 。 譬譬霉燃。 噼 图1 - 6w h o r l t m 系列搅拌头示意图 单面搅拌摩擦焊焊接时容易在根部形成未焊透和隧道型等缺陷，为了弥补这 一问题，发明了双面搅拌摩擦焊技术。使用此技术焊接时，能在试样上下两表面 获得较好的成形，也能克服根部缺陷，从而提高接头的疲劳性能。另外在轴肩 上一般会加工出一些规则的几何图形，以使轴肩能和塑化材料紧密地耦舍在一 起。从本质上来说，这样提高了轴肩和焊接件表面的接触面积，同时也提高了焊 接时的闭合性，防止塑化金属在搅拌头旋转时被匿出焊缝区a 4 6 焊后处理工艺 由于铝合金搅拌摩擦焊后，焊接件中会留有残余应力，焊缝表面会形成飞 第一章绪论 边和凸缘，这些都会影响到焊接件的疲劳性能。因此如果焊后有条件的话，就需 要针对这些影响因素进行调节。通常的做法是从下面两个方面考