鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力測試分析

魏艷妮，李京龍，黃 甫，李雪飛

(西北工業(yè)大學 摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西 西安 710072)

焊接工藝

鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力測試分析

魏艷妮，李京龍，黃 甫，李雪飛

(西北工業(yè)大學 摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西 西安 710072)

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，分別測量接頭處垂直、平行于焊縫的殘余應(yīng)力，并進行了計算分析。結(jié)果顯示，攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力在焊縫及其附近區(qū)域無論是垂直還是在平行焊縫方向的均承受壓應(yīng)力，且隨小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊縫方向的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出周期性分布，且它們在前進側(cè)的周期相比于后退側(cè)較小；殘余應(yīng)力在焊縫兩側(cè)呈不對稱分布，后退側(cè)應(yīng)力值較高，其殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在后退側(cè)軸肩作用區(qū)域邊緣處，其值分別為93 MPa和100 MPa。

攪拌摩擦焊接；小孔釋放法；殘余應(yīng)力

0 前言

攪拌摩擦焊(Friction stir welding)是由英國焊接研究所(TWI)于1991年開發(fā)的新型固相連接技術(shù)[1]，它是利用攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入兩塊對接板材的接縫處，攪拌針攪動接縫兩側(cè)的材料，產(chǎn)生塑性流變和混合；并在軸肩的作用下將攪動變形的材料傳輸?shù)綌嚢桀^后側(cè)并同時施加鍛造作用，從而形成密實無缺陷的焊縫[2]。攪拌摩擦焊自發(fā)明至今，在國內(nèi)外大量實驗研究的基礎(chǔ)上，已經(jīng)在焊接機理、適用材料、焊接設(shè)備及工程化應(yīng)用方面取得了很大進步[3]。攪拌摩擦焊接頭的殘余應(yīng)力是攪拌摩擦焊焊接結(jié)構(gòu)完整性評定的重要方面，其數(shù)值和分布形態(tài)對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度、疲勞強度、抗脆斷能力、剛性和尺寸穩(wěn)定性、抗應(yīng)力腐蝕開裂及高溫蠕變開裂的能力都會產(chǎn)生重要影響，尤其是使焊接結(jié)構(gòu)在服役期間產(chǎn)生失穩(wěn)與開裂，很大程度上縮短了構(gòu)件的使用壽命。因此，為了保證焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，改善其使用性能，測定并掌握攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力在焊接結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律就顯得十分必要。

通常攪拌摩擦焊接過程中熱輸入量低，可得到比熔化焊接頭較低的殘余應(yīng)力。但在攪拌摩擦焊接過程中，接頭殘余應(yīng)力的形成與熔化焊有很大不同，不僅受焊接溫度場影響，還有其他因素如機械攪拌的作用以及比較強的夾具約束等，使攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力的形成機理和分布規(guī)律變得復雜[4]。當前國內(nèi)外研究者對攪拌摩擦焊接頭的殘余應(yīng)力研究取得了一定成果。從試驗方面來看，Sutton等人[5]測試了2024鋁合金攪拌摩擦焊接頭的殘余應(yīng)力，得到接頭縱向殘余應(yīng)力最大值為105 MPa。Staron等人[6-7]對2024鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力進行研究，得到接頭縱向殘余應(yīng)力最大值分別為130 MPa和170 MPa。不同的研究者得到的結(jié)果之間相差較大，這是因為目前對攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力的分布規(guī)律和形成機理的認識并不明晰。小孔釋放法是由J.Mathar于1934年提出的，后經(jīng)W.Soete和R.Vancombrugge等學者的發(fā)展，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，它具有操作簡便、測量方便、對構(gòu)件損傷程度小等特點[8]。它是用鉆孔工具在要測試殘余應(yīng)力的部位加工一個小孔，由于其殘余應(yīng)力釋放，引起了殘余應(yīng)力的重新分布。測量小孔附近由于小孔加工而引起的應(yīng)變釋放量，通過彈性力學計算即可換算出小孔原有的殘余應(yīng)力值。小孔法簡單易行、測量精度高，在焊接殘余應(yīng)力的測試中得到了廣泛應(yīng)用[9]。

在此利用小孔釋放法成功地對6061-T5鋁合金板攪拌摩擦焊對接接頭的殘余應(yīng)力分布規(guī)律進行了研究，并分析測試結(jié)果。

1 實驗

實驗設(shè)備主要有Z4006臺式鉆床、CM-1L-10型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和計算機(見圖1)、BE120-2CAK電阻應(yīng)變花。測試材料為攪拌摩擦焊接(FSW)的鋁合金6061-T5，厚2 mm。采用線切割方法將6061-T5焊后板加工成30 mm×210 mm矩形試樣，如圖2所示。測量采用CM-1L-10型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和計算機。實驗在常溫下進行，采用BE120-2CA-K電阻應(yīng)變花和502瞬間強力膠水貼片，鉆孔直徑2 mm，應(yīng)變花的貼片位置(即被測點的位置)距焊縫中軸線的距離為-32mm、-23mm、-15mm、-12mm、-5mm、0 mm、3 mm、10 mm、18 mm、28 mm、34 mm(負號表示貼片位置在前進側(cè))，如圖3所示。每測試一個點之前，必須將靜態(tài)應(yīng)變儀接通電源預熱30 min。鉆孔停止后，每隔5 min記錄一次應(yīng)變儀讀數(shù)，待讀數(shù)穩(wěn)定后，取四次數(shù)據(jù)的平均值作為測試結(jié)果，每個測試點的測量深度分別為0.5 mm、1mm、1.5 mm和2mm。試驗測得的數(shù)據(jù)用Excel辦公軟件進行處理，計算焊接殘余應(yīng)力。

圖1 CM-1L-10型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和計算機Fig.1 CM-1L-10 static resistance strain indicator and computer

圖2 被測件外觀Fig.2 Specimen external view

2 實驗結(jié)果

6061-T5接頭試樣的殘余應(yīng)力分布如圖4所示，其中σx、σy分別為垂直、平行于焊縫的殘余應(yīng)力。由圖4可知：(1)σx、σy均為負值，表明焊縫及其附近區(qū)域在垂直和平行于焊縫的方向都承受壓應(yīng)力；(2)σx、σy在焊縫兩側(cè)均呈現(xiàn)出周期性分布，并且這一分布大致為軸對稱形式(以焊縫中心線為對稱軸)，即焊縫的前進側(cè)與后退側(cè)的殘余應(yīng)力分布基本相同；(3)隨著小孔深度由0.5 mm增至2 mm，壓應(yīng)力σx、σy均逐步增加。為便于分析，計算每一測量位置不同深度的σx、σy平均值，如圖5所示。由圖5可知，σx、σy均為壓應(yīng)力，其最小值約7.5 MPa，最大值均位于后退側(cè)，且分別達到93MPa和100 MPa。在上述壓應(yīng)力的周期性分布中，前進側(cè)比后退側(cè)的周期小。另外，在焊縫中軸線也出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力。由圖4、圖5可知，就接頭試樣而言，σx、σy的最大絕對值位于焊縫(圖4、圖5中灰色區(qū)域)攪拌頭軸肩作用邊緣處，即熱力影響區(qū)(或熱影響區(qū))附近，表明這一區(qū)域是接頭試樣的薄弱區(qū)，所以疲勞試驗過程中此處出現(xiàn)斷裂的概率最大，同時還可看出這種斷裂在后退側(cè)熱力影響區(qū)出現(xiàn)的概率比前進側(cè)大。

圖3 6061-T5接頭試樣殘余應(yīng)力測量貼片位置Fig.3 The patch location of residual stress

3 殘余應(yīng)力分析

與鋁合金熔化焊接頭縱向殘余應(yīng)力對稱的“M”形分布相比，攪拌摩擦焊接頭焊縫兩側(cè)的橫向和縱向殘余應(yīng)力分布均表現(xiàn)出明顯的不對稱性。這是因為在熔化焊過程中，工件主要受到焊接熱源的作用，內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻的溫度場，從而導致工件發(fā)生不均勻的塑性變形而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力；而在攪拌摩擦焊過程中，除了焊接熱源作用之外，在前進側(cè)和后退側(cè)工件還要受到方向相反的、來自攪拌頭的機械作用力，從而影響到焊接應(yīng)力、應(yīng)變的產(chǎn)生和演變。距離攪拌頭較遠的焊縫區(qū)域處于較低溫度并且未受攪拌力影響，材料的最終殘余應(yīng)力狀態(tài)主要受溫度場和散熱條件控制已基本確定，因此殘余應(yīng)力狀態(tài)受攪拌頭作用力的影響主要是在攪拌頭軸肩邊緣一定距離范圍內(nèi)、處于較低溫度并且受到攪拌力影響的焊縫區(qū)域。該區(qū)域的材料在攪拌頭經(jīng)過之后向周圍散熱，溫度降低從而發(fā)生縱向收縮；但收縮受到兩側(cè)材料的約束，產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力；同時又受到攪拌頭縱向機械壓縮的作用，將產(chǎn)生縱向機械壓應(yīng)力，因而在后退側(cè)軸肩邊緣產(chǎn)生的機械壓應(yīng)力最大。各個區(qū)域瞬時應(yīng)力、應(yīng)變演變過程，以及各機械力的傳遞過程機理等問題還有待進一步深入探索。

需要指出的是，盡管進行殘余應(yīng)力測量時，被測試件經(jīng)過了線切割(見圖2)，但是其殘余應(yīng)力依然存在，這與熔焊時的情況不同(熔焊件經(jīng)切割后，其中的殘余應(yīng)力會被釋放)。原因主要是FSW接頭中殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生原因類似于噴丸處理，即殘余壓應(yīng)力是因FSW過程中局部強烈塑變而產(chǎn)生，故當殘余應(yīng)力的局域平衡未被破壞時(即試件不是過窄時)，此殘余壓應(yīng)力便會存在；而熔焊時，焊縫中的殘余應(yīng)力是在被焊件整體中尋求平衡，因此一旦被焊件的整體性被破壞，則殘余處應(yīng)力會部分或全部釋放。

圖4 6061-T5接頭試樣的殘余應(yīng)力分布Fig.4 Residual stress distribution of 6061-T5 joint

4 結(jié)論

(1)攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力在焊縫及其附近區(qū)域無論是垂直于焊縫方向還是在平行于焊縫方向均承受壓應(yīng)力，且均隨小孔深度的增加而增加。

圖5 6061-T5接頭不同深度平均殘余應(yīng)力的分布Fig.5 The average residual stress distribution of 6061-T5 joint with different depth

(2)垂直焊縫方向和平行焊縫方向的殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)出周期性分布，且它們前進側(cè)的周期相比于后退側(cè)的都較小；殘余應(yīng)力在焊縫兩側(cè)呈不對稱分布，后退側(cè)應(yīng)力值較高，其殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在后退側(cè)軸肩作用邊緣處，分別為93 MPa和100 MPa。

(3)熱力影響區(qū)(或熱影響區(qū))附近的壓應(yīng)力絕對值最大，表明這一區(qū)域為接頭試樣的薄弱區(qū)。

[1] Thomas W M，Needlham J C，Dawes C J，et al.Friction stir butt welding[P].International patent application number PCT／GB92／02203 and GB patent application 9125978.8，1991-12-06.

[2] Pao P S，Lee E，F(xiàn)eng C R，et al.Friction stir welding and processing II[M].TMS，Warrendale，PA，USA，2003.

[3]Mishra R S，Ma Z Y.Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering R，2005，50(1-2)：1-78.

[4]李 亭，史清宇，李紅克，等.鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力分布[J].焊接學報，2007，28(6)：105-108.

[5] Sutton M A，Reynolds A P，Wang D Q，et al.A study of residual stresses and microstructure in 2024-T3 aluminum friction stir butt welds[J].Journal of Engineering Materials and Technology，2002，124(2)：215-221.

[6]Staron P，Kocak M，Williams M，et al.Residual stress in friction stir-welded Al sheets[J].Physica B：Condensed Matter，2004，350(1-3)：491-493.

[7] Staron P，Kocak M，Williams S，et al.Residual stress distributions in friction stir welded Al sheets determined by neutron strain scanning[C].ASM Proceedings of the International Conference：Trends in Welding Research，2002：253-256.

[8]趙海燕，陳岳軍，史耀武，等.焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的測試[J].焊管，1997，20(4)：12-17.

[9]陸才善.殘余應(yīng)力測試：小孔釋放法[M].西安：西安交通大學出版社，1991.

Test of residual stresses for the joint of aluminum alloy friction stir welding

WEI Yan-ni，LI Jing-long，HUANG Fu，LI Xue-fei
(Shanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

In this paper，the residual stresses for friction stir welded 2 mm thick 6061-T5 aluminum alloy sheets had been investigated by using mathar method.The residual stresses perpendicular and parallel to the weld-path were measure respectively.The results showed that the residual stresses both perpendicular and parallel to the weld-path are all compressive stress，and the value of compressive stress become bigger as the depth of little hole increases.Additionally，both the compressive stresses are shown periodic distribution，and the periods of advancing side are smaller than the retreating side's.The residual stresses of weld joint two sides is not symmetrical，and retreating side residual stresses is higher，which the maximum are 93 MPa and 100 MPa respectively which present to the edge of shoulder.

friction stir welding；mathar method；residual stress

TG453+.9

A

1001-2303(2012)04-0054-04

2010-11-30

西北工業(yè)大學科技創(chuàng)新基金資助項目(2007KJ01006)

魏艷妮(1985—)，女，陜西渭南人，碩士，主要從事焊接工藝的研究工作。