王 磊1,趙新華1,2,叢家慧1,2,回 麗1,付 強1,2

(沈陽航空航天大學1.航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室,2.機電工程學院,沈陽 110136)

摘 要:在不同回填時間、插入時間、插入深度、旋轉速度下對1.5mm 厚7B04-T6鋁合金板進行回填式無匙孔攪拌摩擦點焊,對接頭進行拉-拉疲勞試驗,研究了焊接工藝參數對接頭疲勞性能的影響。結果表明:不同焊接工藝下接頭均分為焊核區、熱機影響區、熱影響區和母材,在熱機影響區的兩板結合區存在鉤狀缺陷;焊接工藝參數對接頭疲勞壽命的影響程度從弱到強的順序為回填時間、插入時間、插入深度、旋轉速度;在旋轉速度為2500r·min-1,回填時間為2s,插入深度為1.9mm,插入時間為3s下,接頭的疲勞壽命最高,可達211919周次,疲勞裂紋萌生于兩板結合區的鉤狀缺陷處。

關鍵詞:7B04鋁合金;回填式攪拌摩擦點焊;疲勞壽命;鉤狀缺陷

中圖分類號:TG456.9 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2020)07-0028-05

0 引 言

攪拌摩擦點焊技術(FSSW)是在攪拌摩擦焊接 (FSW)基礎上發展起來的一項極具市場應用前景 的新型固相連接技術[1-2],其中的回填式無匙孔攪拌 摩擦點焊(RFSSW)技術具有工藝簡單、焊接表面質 量優異、焊接變形小、能耗低等優點,特別適用于鋁 合金、鎂合金等輕金屬材料的連接。該技術采用的 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確的相對運動,在攪拌套回撤 的同 時 填 充 匙 孔[3-4]。 目 前 已 有 許 多 學 者 對 RFSSW 技術進行了相關研究,但對RFSSW 接頭疲勞性 能 的 研 究 較 少。UEMATSU 等[5]通 過 觀 察RFSSW 接頭疲勞裂紋的擴展路徑,發現在高載荷條件下,接頭區的焊核剝離是引起疲勞失效的主要原 因。 UEMATSU 等[6] 對 比 了 電 阻 點 焊 和RFSSW 接頭的疲勞性能,發現焊縫幾何尺寸在決定其疲勞強度和斷 裂 機 理 中 起 主 導 作 用。SARA等[7]研 究 發 現,在 軸 向 加 載 過 程 中 復 雜 應 力 對AlMgSc合金點焊接頭疲勞性能有較大的影響。朱小剛等[8]研究發現,優化工藝參數和減小點焊接頭缺陷尺寸可提高接頭的疲勞性能。王聯鳳等[9]研究發現,RFSSW 接頭結合區中的環溝槽、孔洞及包鋁層等缺陷造成了疲勞失效。7B04-T6鋁合金在相同強度水平下的斷裂韌性優于硬鋁的,具有優良的熱加工性能,且經過熱處理后具有優良的綜合性能,在航空領域中得到了廣泛的應用。傳統航空鋁合金結構件大多采用鉚釘與螺栓進行連接,這無形中增加了飛機的質量,同時連接時需要在連接位置開孔,這使得連接工藝變得復雜,也破壞了結構的完整性,從而嚴重影響了結構強度和可靠性。焊接工藝參數對焊接接頭性能有較大的影響,但對 TB04-T6鋁合金RFSSW 接頭 疲 勞 性 能 影 響 的 研 究 鮮 有 報 道。為

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

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為1.5 mm 厚7B04-T6鋁合金板,由中國航空制造技術研究院提供,化學成分見表 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焊機上進行 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,點焊過程如圖1所示。試驗采用單一變量原則,選取攪拌工具的回填時間、旋轉速度、插入時間、插入深度4個變量來設計 RFSSW 的正交試驗,共選用13組不同的焊接工藝參數,如表2所示,每組制備6個試樣。

以焊點為中心,在平行于板寬方向截取金相試樣,經 磨 制、拋 光,用 Keller 試 劑 腐 蝕 后,采 用OlympusGX51型光學顯微鏡觀察截面顯微組織。按照 GB/T15111-1994,以焊點為中心截取如圖2所示 的 疲 勞 試 樣,采 用 MTS810 型疲勞試驗機在室溫環境中進行拉-拉疲勞試驗,應力比為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 試驗結果與討論

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

呈板條狀;熱影響區的晶粒形貌與母材的相似,尺寸略大于母材的;在機械和熱輸入的雙重作用下,熱機影響區的晶粒扭曲變形;在攪拌針和攪拌套的攪拌作用下,焊核區晶粒破碎,發生動態再結晶形成較均勻細小的等軸晶粒。在熱機影響區的兩板結合區存在鉤狀缺陷,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,導致兩板結合面向上彎曲而形成的。該缺陷無法通過改變工藝參數等方法徹底消除,但可通過改進工藝來改善,從而提高接頭的連接性能[10]。

2.2 疲勞壽命

由圖4可知:當回填時間為2.0s,插入時間為3s,插入深度為1.9mm,旋轉速度為2500r·min-1時,接頭的疲勞壽命最高,為211919周次;當回填時間為2.0s,插入時間為3s,插入深度為1.7mm,旋轉速度為2500r·min-1 時,接頭的疲勞壽命最短,為102054周次。不同焊接工藝參數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。因為鉤狀缺陷處會產生較為嚴重的應力集中從而降低接頭的疲勞壽命,缺陷尺寸不同,應力集中程度不同,對疲勞壽命的影響程度不同。

接頭微觀形貌對疲勞性能的影響相對較小。通過對比可以發現:回填時間和插入時間對接頭疲勞壽命的影響程度較小,這是由于隨著回填時間和插入時間的增加,焊接區溫度升高,有利于基板和焊接區的結合,從而獲得較小尺寸的鉤狀缺陷[11]

;而與插入時間相比,回填時間對鉤狀缺陷尺寸的影響較小,因此其對疲勞壽命的影響程度也較小。插入深度和旋轉速度對接頭疲勞壽命的影響程度較大。然而,由于插入深度對上、下兩板厚度方向的材料結合有影響,但對鉤狀缺陷的影響不大,而旋轉速度影響了焊接區的熱塑性材料流動,使得接頭中產生較大尺寸的鉤狀缺陷,從而影響接頭的疲勞壽命[12-13],因此旋轉速度的影響程度大于插入深度的。由此可見,焊接工藝參數對接頭疲勞壽命的影響程度從弱到強的順序為回填時間、插入時間、插入深度、旋轉速度。合理優化焊接工藝參數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,沿著焊點邊緣圓弧擴展一段距離;兩種失效模式下焊點均未與下板分離,說明焊接接頭質量較好。上下板分離失效時,上、下兩板均發現了裂紋,接頭表現出較高的疲勞壽命。上板斷裂失效時,下板未發現裂紋,接頭表現出較低的疲勞壽命。

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、疲勞裂紋擴展區、瞬斷區等3個區域組成。在拉-拉循環載荷作用下,裂紋在局部應力集中的鉤狀缺陷處萌生。疲勞裂紋擴展區相對于瞬斷區較為平坦,存在近似等間距的疲勞條帶,條帶的方向垂直于裂紋擴展方向,與板厚方向平行[8-9]。當疲勞裂紋擴展到足夠長后,試樣發生瞬斷,在瞬斷區存在凹凸不平的撕裂棱,呈臺階狀,同時還存在二次裂紋[14];瞬斷區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]。同時瞬斷區還發現

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,對疲勞性能產生不利的影響。

3 結 論

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

(2)焊接工藝參數對接頭疲勞壽命的影響程度從弱到強的順序為回填時間、插入時間、插入深度、旋轉速度;在攪拌工具旋轉速度為2500r·min-1,

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

(3)在疲勞試驗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合區的鉤狀缺陷位置,疲勞裂紋擴展區存在典型的近似等間距的疲勞條帶,瞬斷區存在撕裂棱、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：材料與測試網-機械工程材料>2020年>7期> pp.28）