王 磊1,趙新華1,2,叢家慧1,2,回 麗1,付 強(qiáng)1,2

(沈陽航空航天大學(xué)1.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,2.機(jī)電工程學(xué)院,沈陽 110136)

摘 要:在不同回填時(shí)間、插入時(shí)間、插入深度、旋轉(zhuǎn)速度下對(duì)1.5mm 厚7B04-T6鋁合金板進(jìn)行回填式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊,對(duì)接頭進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn),研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭疲勞性能的影響。結(jié)果表明:不同焊接工藝下接頭均分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材,在熱機(jī)影響區(qū)的兩板結(jié)合區(qū)存在鉤狀缺陷;焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭疲勞壽命的影響程度從弱到強(qiáng)的順序?yàn)榛靥顣r(shí)間、插入時(shí)間、插入深度、旋轉(zhuǎn)速度;在旋轉(zhuǎn)速度為2500r·min-1,回填時(shí)間為2s,插入深度為1.9mm,插入時(shí)間為3s下,接頭的疲勞壽命最高,可達(dá)211919周次,疲勞裂紋萌生于兩板結(jié)合區(qū)的鉤狀缺陷處。

關(guān)鍵詞:7B04鋁合金;回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊;疲勞壽命;鉤狀缺陷

中圖分類號(hào):TG456.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-3738(2020)07-0028-05

0 引 言 

攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)(FSSW)是在攪拌摩擦焊接 (FSW)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)極具市場(chǎng)應(yīng)用前景 的新型固相連接技術(shù)[1-2],其中的回填式無匙孔攪拌 摩擦點(diǎn)焊(RFSSW)技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、焊接表面質(zhì) 量?jī)?yōu)異、焊接變形小、能耗低等優(yōu)點(diǎn),特別適用于鋁 合金、鎂合金等輕金屬材料的連接。該技術(shù)采用的 攪拌工具由非一體的攪拌針、攪拌套、軸肩組成,通 過攪拌針和攪拌套準(zhǔn)確的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在攪拌套回撤 的同 時(shí) 填 充 匙 孔[3-4]。 目 前 已 有 許 多 學(xué) 者 對(duì) RFSSW 技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究,但對(duì)RFSSW 接頭疲勞性 能 的 研 究 較 少。UEMATSU 等[5]通 過 觀 察RFSSW 接頭疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑,發(fā)現(xiàn)在高載荷條件下,接頭區(qū)的焊核剝離是引起疲勞失效的主要原 因。 UEMATSU 等[6] 對(duì) 比 了 電 阻 點(diǎn) 焊 和RFSSW 接頭的疲勞性能,發(fā)現(xiàn)焊縫幾何尺寸在決定其疲勞強(qiáng)度和斷 裂 機(jī) 理 中 起 主 導(dǎo) 作 用。SARA等[7]研 究 發(fā) 現(xiàn),在 軸 向 加 載 過 程 中 復(fù) 雜 應(yīng) 力 對(duì)AlMgSc合金點(diǎn)焊接頭疲勞性能有較大的影響。朱小剛等[8]研究發(fā)現(xiàn),優(yōu)化工藝參數(shù)和減小點(diǎn)焊接頭缺陷尺寸可提高接頭的疲勞性能。王聯(lián)鳳等[9]研究發(fā)現(xiàn),RFSSW 接頭結(jié)合區(qū)中的環(huán)溝槽、孔洞及包鋁層等缺陷造成了疲勞失效。7B04-T6鋁合金在相同強(qiáng)度水平下的斷裂韌性優(yōu)于硬鋁的,具有優(yōu)良的熱加工性能,且經(jīng)過熱處理后具有優(yōu)良的綜合性能,在航空領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)航空鋁合金結(jié)構(gòu)件大多采用鉚釘與螺栓進(jìn)行連接,這無形中增加了飛機(jī)的質(zhì)量,同時(shí)連接時(shí)需要在連接位置開孔,這使得連接工藝變得復(fù)雜,也破壞了結(jié)構(gòu)的完整性,從而嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能有較大的影響,但對(duì) TB04-T6鋁合金RFSSW 接頭 疲 勞 性 能 影 響 的 研 究 鮮 有 報(bào) 道。為

此,作者在不同回填時(shí)間、插入時(shí)間、插入深度、旋轉(zhuǎn)速 度 下 對(duì) 1.5mm 厚 7B04-T6 鋁 合 金 板 進(jìn) 行RFSSW,之后對(duì)接頭進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn),研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭疲勞性能的影響,并分析了疲勞斷裂原因。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為1.5 mm 厚7B04-T6鋁合金板,由中國(guó)航空制造技術(shù)研究院提供,化學(xué)成分見表 1。鋁合金待焊件尺寸170mm×48mm×1.5mm,在 FSSW-SK-001型可回抽式攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)上進(jìn)行 RFSSW,焊 接 方 式 為 雙 層 疊 焊,攪 拌 針 直 徑 為5mm,攪拌套直徑為9mm,軸肩直徑為18mm,點(diǎn)焊過程如圖1所示。試驗(yàn)采用單一變量原則,選取攪拌工具的回填時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速度、插入時(shí)間、插入深度4個(gè)變量來設(shè)計(jì) RFSSW 的正交試驗(yàn),共選用13組不同的焊接工藝參數(shù),如表2所示,每組制備6個(gè)試樣。

以焊點(diǎn)為中心,在平行于板寬方向截取金相試樣,經(jīng) 磨 制、拋 光,用 Keller 試 劑 腐 蝕 后,采 用OlympusGX51型光學(xué)顯微鏡觀察截面顯微組織。按照 GB/T15111-1994,以焊點(diǎn)為中心截取如圖2所示 的 疲 勞 試 樣,采 用 MTS810 型疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫環(huán)境中進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn),應(yīng)力比為0.1,加載方式為 正 弦 波,最 大 和 最 小 載 荷 分 別 為 1.909,0.191kN,頻率為10Hz,測(cè)試在相同載荷水平下的疲勞壽命。用 FEI-QUANTA600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖3 接頭截面的整體形貌和不同區(qū)域的微觀形貌

Fig 3 Overallmorphology a and microscopic morphologyof

differentregions b-g ofthejointsection b square

areaA c squareareaB d base metal e heat

affectedzone f thermo-mechanicallyaffectedzoneandgnuggetzone

由于不同焊接工藝下接頭不同區(qū)域的顯微組織相似,因此以2# 工藝下的接頭為例進(jìn)行分析。由圖3可 知:接 頭 分 為 焊 核 區(qū) (NZ)、熱 機(jī) 影 響 區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材(BM)。母材具有典型的軋制態(tài)組織特征,晶粒沿著軋制方向拉長(zhǎng),

呈板條狀;熱影響區(qū)的晶粒形貌與母材的相似,尺寸略大于母材的;在機(jī)械和熱輸入的雙重作用下,熱機(jī)影響區(qū)的晶粒扭曲變形;在攪拌針和攪拌套的攪拌作用下,焊核區(qū)晶粒破碎,發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成較均勻細(xì)小的等軸晶粒。在熱機(jī)影響區(qū)的兩板結(jié)合區(qū)存在鉤狀缺陷,如圖3(b)和圖3(c)所示,該鉤狀缺陷屬于 RFSSW 的固有缺陷,是由于焊接過程中攪拌套插入板內(nèi),導(dǎo)致兩板結(jié)合面向上彎曲而形成的。該缺陷無法通過改變工藝參數(shù)等方法徹底消除,但可通過改進(jìn)工藝來改善,從而提高接頭的連接性能[10]。

2.2 疲勞壽命

由圖4可知:當(dāng)回填時(shí)間為2.0s,插入時(shí)間為3s,插入深度為1.9mm,旋轉(zhuǎn)速度為2500r·min-1時(shí),接頭的疲勞壽命最高,為211919周次;當(dāng)回填時(shí)間為2.0s,插入時(shí)間為3s,插入深度為1.7mm,旋轉(zhuǎn)速度為2500r·min-1 時(shí),接頭的疲勞壽命最短,為102054周次。不同焊接工藝參數(shù)下接頭的疲勞壽命存在明顯差異,這與焊接過程形成的鉤狀缺陷尺寸有關(guān)。因?yàn)殂^狀缺陷處會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中從而降低接頭的疲勞壽命,缺陷尺寸不同,應(yīng)力集中程度不同,對(duì)疲勞壽命的影響程度不同。

接頭微觀形貌對(duì)疲勞性能的影響相對(duì)較小。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):回填時(shí)間和插入時(shí)間對(duì)接頭疲勞壽命的影響程度較小,這是由于隨著回填時(shí)間和插入時(shí)間的增加,焊接區(qū)溫度升高,有利于基板和焊接區(qū)的結(jié)合,從而獲得較小尺寸的鉤狀缺陷[11]

;而與插入時(shí)間相比,回填時(shí)間對(duì)鉤狀缺陷尺寸的影響較小,因此其對(duì)疲勞壽命的影響程度也較小。插入深度和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭疲勞壽命的影響程度較大。然而,由于插入深度對(duì)上、下兩板厚度方向的材料結(jié)合有影響,但對(duì)鉤狀缺陷的影響不大,而旋轉(zhuǎn)速度影響了焊接區(qū)的熱塑性材料流動(dòng),使得接頭中產(chǎn)生較大尺寸的鉤狀缺陷,從而影響接頭的疲勞壽命[12-13],因此旋轉(zhuǎn)速度的影響程度大于插入深度的。由此可見,焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭疲勞壽命的影響程度從弱到強(qiáng)的順序?yàn)榛靥顣r(shí)間、插入時(shí)間、插入深度、旋轉(zhuǎn)速度。合理優(yōu)化焊接工藝參數(shù)有利于提高接頭的疲勞壽命。

2.3 斷口形貌

接頭在疲勞試驗(yàn)過程中存在上下板分離(2# 工藝)與上板斷裂(8# 工藝)兩種失效模式,如圖5所示,這兩種失效模式的裂紋均在接頭的鉤狀缺陷處起裂,沿著焊點(diǎn)邊緣圓弧擴(kuò)展一段距離;兩種失效模式下焊點(diǎn)均未與下板分離,說明焊接接頭質(zhì)量較好。上下板分離失效時(shí),上、下兩板均發(fā)現(xiàn)了裂紋,接頭表現(xiàn)出較高的疲勞壽命。上板斷裂失效時(shí),下板未發(fā)現(xiàn)裂紋,接頭表現(xiàn)出較低的疲勞壽命。

由于不同焊接工藝下接頭的疲勞斷口形貌相似,因此以2# 焊接工藝下的接頭為例進(jìn)行斷口的微觀形貌分析。由圖6可以看出,接頭的疲勞斷口由裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)等3個(gè)區(qū)域組成。在拉-拉循環(huán)載荷作用下,裂紋在局部應(yīng)力集中的鉤狀缺陷處萌生。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)相對(duì)于瞬斷區(qū)較為平坦,存在近似等間距的疲勞條帶,條帶的方向垂直于裂紋擴(kuò)展方向,與板厚方向平行[8-9]。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到足夠長(zhǎng)后,試樣發(fā)生瞬斷,在瞬斷區(qū)存在凹凸不平的撕裂棱,呈臺(tái)階狀,同時(shí)還存在二次裂紋[14];瞬斷區(qū)中分布著大小不等類蜂窩形的等軸韌窩,呈典型的韌性斷裂特征[5]。同時(shí)瞬斷區(qū)還發(fā)現(xiàn)

了部分夾雜物(如圖中圓圈位置所示),這在一定程度上降低了接頭的承載能力,對(duì)疲勞性能產(chǎn)生不利的影響。

3 結(jié) 論

(1)不同焊接工藝下接頭均分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材,在熱機(jī)影響區(qū)的兩板結(jié)合區(qū)存在鉤狀缺陷;不同區(qū)域的顯微組織相似,母材為典型的軋制態(tài)組織,熱影響區(qū)晶粒形貌與母材的相似,熱機(jī)影響區(qū)晶粒扭曲變形,焊核區(qū)為細(xì)小均勻的等軸晶。

(2)焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭疲勞壽命的影響程度從弱到強(qiáng)的順序?yàn)榛靥顣r(shí)間、插入時(shí)間、插入深度、旋轉(zhuǎn)速度;在攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度為2500r·min-1,

回填時(shí)間為2s,插入深度為1.9 mm,插入時(shí)間為3s下,接頭的疲勞壽命最高,可達(dá)211919周次。

(3)在疲勞試驗(yàn)過程中接頭存在上下板分離和上板斷裂兩種失效模式;疲勞裂紋萌生于上下板結(jié)合區(qū)的鉤狀缺陷位置,疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)存在典型的近似等間距的疲勞條帶,瞬斷區(qū)存在撕裂棱、二次裂紋、等軸韌窩以及一些夾雜物,呈典型的韌性斷裂特征。

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2020年 > 7期 > pp.28）