下扎深度對回填式攪拌摩擦點焊接頭斷裂行為的影響

岳玉梅,李政瑋,馬軼男,柴鵬,邢敬偉

(1.沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部,110136,沈陽;2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,100191,北京)

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下扎深度對回填式攪拌摩擦點焊接頭斷裂行為的影響

岳玉梅1,李政瑋1,馬軼男1,柴鵬2,邢敬偉1

(1.沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部,110136,沈陽;2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,100191,北京)

為研究焊接工藝參數(shù)對回填式攪拌摩擦點焊(RFSSW)接頭斷裂行為的影響,以鋁合金為例,通過改變焊接過程中套筒的下扎深度對上下板厚度不同的LY12鋁合金進(jìn)行RFSSW試驗,從材料流動、原子擴(kuò)散及接頭軟化等方面對其接頭的斷裂機(jī)理進(jìn)行分析,并利用焊點的宏觀形貌、顯微組織和硬度進(jìn)行驗證。試驗及分析結(jié)果表明:在RFSSW過程中,當(dāng)套筒未扎透上板、hook缺陷較平且韌帶在整個焊點厚度基本相同時,裂紋主要沿連接強(qiáng)度較弱的搭接面擴(kuò)展,形成剪切斷裂模式;當(dāng)套筒下扎至下板厚度的15%、hook缺陷向上彎曲且套筒回抽路徑產(chǎn)生裂紋缺陷時,裂紋更傾向于沿著原子擴(kuò)散時間較短的套筒回抽路徑擴(kuò)展,形成剪切塞型斷裂模式;隨著套筒進(jìn)一步下扎至下板厚的35%且hook缺陷向下彎曲,裂紋更容易沿著下板中的套筒回抽路徑向下擴(kuò)展;當(dāng)裂紋擴(kuò)展到下板的下表面時,形成塞型斷裂模式,斷口形貌與斷裂機(jī)理的分析結(jié)果相吻合。

回填式攪拌摩擦點焊;斷裂行為;鋁合金;下扎深度

作為焊接領(lǐng)域的一個重要分支,點焊技術(shù)因具有經(jīng)濟(jì)效益好、工作效率高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路和船舶等領(lǐng)域中[1]。在實際應(yīng)用中,點焊件當(dāng)承受過大載荷時會發(fā)生斷裂失效,造成經(jīng)濟(jì)損失,更有甚者會造成嚴(yán)重的事故。因此,研究點焊接頭的斷裂行為、掌握其斷裂機(jī)理對于深入了解焊接原理,進(jìn)而提高接頭抗拉剪載荷等的能力具有重要的意義[2]。

回填式攪拌摩擦點焊(refill friction stir spot welding, RFSSW)是由攪拌摩擦焊發(fā)展而來的一種新型固相連接技術(shù)[3]。RFSSW可避免由常規(guī)攪拌摩擦點焊(FSSW)造成的匙孔缺陷,具有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。自RFSSW發(fā)明至今,國內(nèi)外學(xué)者在溫度、流場、顯微組織與力學(xué)性能等方面進(jìn)行了大量研究[5-7]。Suhuddin等人對AA5754和AZ31鋁鎂合金的RFSSW過程進(jìn)行了熱電偶測溫試驗,指出焊核區(qū)溫度峰值超過450 ℃[5]。喬汝旺等人的研究結(jié)果表明,AZ31鎂合金與5A06鋁合金搭接接頭的界面附近出現(xiàn)了金屬間化合物[6]。Zhao等人進(jìn)行了7B04-T74鋁合金的RFSSW試驗,指出hook缺陷、包鋁層的位置與硬度是影響接頭性能的關(guān)鍵因素[7]。

RFSSW拉剪接頭的斷裂模式主要包括剪切斷裂、剪切-塞型斷裂與塞型斷裂3種類型。Tier等人與Shen等人除介紹RFSSW接頭的斷裂模式外,還對其斷裂形貌進(jìn)行了詳細(xì)研究[8-9]。然而,到目前為止,焊接工藝參數(shù)對RFSSW接頭斷裂機(jī)理的報導(dǎo)極少。因此,本文以LY12鋁合金為例,對RFSSW接頭進(jìn)行了拉剪試驗,并以下扎深度為焊接變量,重點分析不同下扎深度時RFSSW接頭的斷裂模式及機(jī)理。本文的研究對于深入了解RFSSW的焊接機(jī)理,提高焊接質(zhì)量具有重要意義。

1 試驗方法

鋁合金由于具有強(qiáng)度高、塑性好、抗腐蝕性好等優(yōu)點,因而在交通運輸、航空航天等領(lǐng)域的眾多結(jié)構(gòu)件(如飛機(jī)蒙皮等)中得到廣泛應(yīng)用。LY12鋁合金屬于硬鋁合金,其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到475 MPa,是一種在軍用與民用領(lǐng)均著廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)合金。因此,本文所用試驗材料為LY12鋁合金。其中,上、下板尺寸分別為140 mm×60 mm×1.5 mm與140 mm×60 mm×2 mm。焊接前將板材用砂紙打磨并用丙酮去除油污等雜質(zhì)。焊接所用儀器型號為RPS 100 SK10,搭接部分的尺寸為50 mm×60 mm,焊點位于搭接區(qū)域的中心。攪拌頭由壓緊環(huán)、套筒與攪拌針組成,其中套筒內(nèi)徑與外徑的尺寸分別為5.2 mm和9 mm,壓緊環(huán)的外徑是14.5 mm;攪拌針直徑略小于套筒內(nèi)徑,其值為5 mm。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[8],RFSSW過程中,決定其拉剪性能的最重要焊接參數(shù)是套筒下扎深度,因此本文的研究變量取為套筒的下扎深度。為了研究不同下扎深度對RFSSW拉剪接頭斷裂機(jī)理的影響,本文在焊接過程中,套筒下扎深度分別取1.4 mm、1.8 mm與2.2 mm,其他參數(shù)如回填時間及攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度分別為2.5 s和1 800 r/min。

采焊后的金相試樣用線切割沿焊點中心切割;而后經(jīng)過砂紙打磨、拋光等步驟,利用凱勒試劑進(jìn)行金相腐蝕;用型號為Olympus-GX71的光學(xué)顯微鏡對焊點的橫截面形貌及顯微組織進(jìn)行分析。室溫條件下在型號為RG4300的電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行剪切拉伸試驗,拉伸速度為5 mm/min。拉伸試驗結(jié)束后,在型號為ZSA403的體視顯微鏡下觀察接頭的斷裂位置;并用掃描電子顯微鏡(KYKY-2800B)觀察其斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

在RFSSW過程的下扎階段,套筒下扎到試板中,高速旋轉(zhuǎn)的套筒與上板或下板的材料摩擦,產(chǎn)生的熱量使攪拌頭周圍的材料處于非熔化的高溫低流動應(yīng)力狀態(tài);隨著套筒的下扎和攪拌針的回抽,熱塑性材料由于受到擠壓作用而流進(jìn)二者相對運動所形成的空腔中。在回填階段,套筒及攪拌針改變原來的運動方向轉(zhuǎn)而向試板表面運動,高溫材料又隨二者的運動被回填到試板內(nèi)部。LY12是航空、汽車等領(lǐng)域常用的鋁合金,板材表面有一層包鋁層(純Al)以實現(xiàn)對板內(nèi)部合金成分的保護(hù)。在下扎和回填階段,包鋁層會隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和直線運動而與板材內(nèi)部的材料混合,且不同區(qū)域的混合程度不同。由于純Al的強(qiáng)度和伸長率與LY12相差較大,因此包鋁層在不同區(qū)域的分布對于RFSSW接頭的斷裂機(jī)制有著重要影響。同時,對于沉淀強(qiáng)化的LY12鋁合金來說,材料經(jīng)歷高溫過程會發(fā)生不同程度的軟化。綜上,考慮固相焊的本質(zhì),本文主要對材料流動、原子擴(kuò)散與材料軟化現(xiàn)象等方面對材料顯微組織或缺陷的影響進(jìn)行分析,進(jìn)而闡述不同斷裂模式下的斷裂機(jī)理。

圖1所示為不同下扎深度時RFSSW接頭斷裂后的整體形貌。通過分析可知:剪切斷裂模式下的裂紋沿著未被打碎的搭接界面的包鋁層擴(kuò)展;剪切-塞型斷裂下的裂紋基本上沿著套筒回抽路徑擴(kuò)展;塞型斷裂模式下,整個焊點脫落,裂紋沿著套筒的下扎和回抽路徑分別延伸到焊點的上、下表面。

(a)剪切斷裂(1.4 mm) (b)剪切塞型斷裂(1.8 mm)

(c)塞型斷裂(2.2 mm)圖1 3種下扎深度下RFSSW接頭的斷裂形貌

2.1 剪切斷裂模式機(jī)理分析

圖2是下扎深度為1.4 mm時焊點的橫截面形貌及典型區(qū)域的顯微組織;圖3是圖1a所示的焊點剪切斷裂模式的示意圖。圖2中點M、N與O到搭接界面的距離分別是0.3 mm、0.2 mm與0.15 mm(考慮包鋁層的厚度)。

(a)焊點橫截面

(b)顯微組織圖2 下扎深度為1.4 mm時焊點的橫截面與顯微組織

圖3 焊點剪切斷裂示意圖

在RFSSW過程中,攪拌區(qū)內(nèi)未熔化的材料溫度應(yīng)大于再結(jié)晶溫度,且材料在套筒與攪拌針的作用下產(chǎn)生劇烈的流動,因此動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象必然發(fā)生[7]。攪拌區(qū)的材料受攪拌頭的作用高速流動,進(jìn)而帶動周圍的材料流動,且流動速度隨到攪拌頭距離的增加而減小。當(dāng)攪拌頭的下扎深度小于上板厚度時,搭接界面附近的流動速度極小甚至接近于0。一般來說,材料的流動越劇烈,受到的應(yīng)變與應(yīng)變速率越大,利于增加焊接過程的形核率并獲得細(xì)小的晶粒[10]。通過分析圖2b可知,晶粒尺寸隨著到搭接界面距離的增加而逐漸減小,證明了上述有關(guān)流動速度的分析。

綜上,剪切斷裂模式下,搭接界面兩側(cè)的包鋁層主要發(fā)生原子擴(kuò)散,在高溫及高壓的作用下形成焊接接頭;材料受到的壓力隨著到焊點距離的增加而逐漸變小且迅速降為0,因此近焊點的熱機(jī)影響區(qū)無明顯的間隙,而在遠(yuǎn)焊點處的間隙明顯,這也是hook缺陷產(chǎn)生的原因之一,如圖2a所示。由于搭接界面基本上未發(fā)生材料流動現(xiàn)象,因此,hook缺陷的彎曲程度與距離較小,且韌帶在焊點內(nèi)不同區(qū)域的厚度基本相同。

2.2 剪切-塞型斷裂模式機(jī)理分析

當(dāng)套筒的下扎深度為1.8 mm時,hook缺陷向上彎曲,即尖端(點A2)位于上板,如圖4所示。圖5給出了剪切-塞型斷裂的示意圖。當(dāng)接頭承受剪切拉伸載荷時,開裂位置首先應(yīng)該出現(xiàn)在點A2處。在剪切-塞型斷裂過程中,焊點兩側(cè)的斷裂路徑存在差異,一側(cè)沿套筒回抽路徑擴(kuò)展,另一側(cè)沿較易理解的45 ℃方向擴(kuò)展(見圖1b)。這主要與hook缺陷尖端點A2鄰近區(qū)域典型位置(點A2正上方與焊點內(nèi)部)的承載能力與受力情況有關(guān)。下面僅對沿套筒回抽路徑的斷裂機(jī)制進(jìn)行分析。

圖4 下扎深度為1.8 mm時焊點的橫截面

圖5 焊點剪切-塞型斷裂示意圖

由于點B2與C2均位于SAZ與TMAZ區(qū)的界面,且兩處影響原子擴(kuò)散的壓力也基本相同,而點B2位于點C2的下方,C2處的原子擴(kuò)散時間短,因此具有較低的連接強(qiáng)度。由于SAZ區(qū)是焊接過程的高溫區(qū),在焊后的冷卻過程中將產(chǎn)生拉應(yīng)力,因此連接的薄弱區(qū)域?qū)⑷菀桩a(chǎn)生裂紋缺陷。本文試驗中,在SAZ與TMAZ區(qū)的界面且靠近上板表面的區(qū)域(點C2附近)發(fā)生了裂紋缺陷,如圖6所示。綜上,裂紋經(jīng)點A2向點B2擴(kuò)展,當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展到C2時,試件的剪切塞型斷裂過程結(jié)束。

圖6 沿垂直連接界面方向分布的裂紋缺陷

2.3 塞型斷裂模式機(jī)理分析

圖7是下扎深度為2.2 mm時的焊點的橫截面形貌及典型區(qū)域的顯微組織,圖8是如圖1c所示的焊點塞型斷裂模式的示意圖。圖9是典型位置的顯微硬度曲線,其中測量點到連接界面的距離為0.9 mm,即到最大下扎深度位置的距離為0.2 mm。

由圖7可知,當(dāng)攪拌頭的下扎深度較大(2.2 mm)時,hook缺陷向下彎曲,即尖端位于下板,與圖2與圖4所示的向上彎曲明顯不同。hook缺陷的彎曲方向與尖端位置(點A3)說明裂紋更容易向下擴(kuò)展。同時,由于拉剪力作用于上板,因此上板中套筒回抽路徑區(qū)域亦是薄弱區(qū)域,呈現(xiàn)開裂的情況(如圖1c),原因與剪切-塞型斷裂相同。下面對裂紋沿點A3向下擴(kuò)展的原因進(jìn)行介紹。

(a)焊點橫截面

區(qū)組織 (c)C3區(qū)組織

(d)C″3區(qū)組織圖7 下扎深度為2.2 mm時焊點的橫截面與顯微組織

圖8 焊點塞型斷裂示意圖

圖9 典型位置的硬度分布規(guī)律

3 斷口形貌分析

圖10是剪切斷裂模式下板C1處的斷口形貌。通過分析看出,該區(qū)域韌窩的數(shù)量較小、深度較淺且具有一定的方向性。由于較小的下扎深度和不充分的原子擴(kuò)散作用,剪切斷裂模式下搭接面處的連接強(qiáng)度較弱,從而形成圖10所示韌窩形貌。韌窩的方向性是在剪切拉伸的過程中上下板之間的相對運動所致。

圖10 剪切斷裂模式下的斷口形貌

(a)A2與B2間的斷口形貌 (b)B2處斷口形貌

(c)C2處斷口形貌圖11 剪切-塞型斷裂模式下的斷口形貌

剪切-塞型斷裂模式下典型位置的斷口形貌如圖11所示。從圖中可以看出,沿著裂紋的擴(kuò)展路徑,韌窩的數(shù)量和深度逐漸減小,這與逐漸減弱的原子擴(kuò)散作用有關(guān)。A2與B2間的區(qū)域由于較為充分的原子擴(kuò)散作用而形成較強(qiáng)的連接,因此呈現(xiàn)數(shù)量較多且深度較大的韌窩;相對于A2處,B2處的韌窩很小且深度很淺;C2處由于原子擴(kuò)散的時間較短,是裂紋缺陷極易出現(xiàn)的位置,因此無韌窩存在。

圖12是塞型斷裂模式下B3點處附近的斷口形貌圖。由圖12可見:B3點的上部分接近A3點,即hook缺陷的尖端,因此呈現(xiàn)形狀不規(guī)則的層狀結(jié)構(gòu),無韌窩存在;隨著到搭接面距離的增加,韌窩出現(xiàn),且數(shù)量逐漸變多、深度逐漸加大。由圖7c可以看出,位于TMAZ的點C3處由于套筒下端面的間接機(jī)械攪拌作用而形成大小不均勻的晶粒。除此之外,在焊接過程中點C3處還受到摩擦熱循環(huán)而發(fā)生軟化,因此C3處韌窩數(shù)量少且深度較淺。

(a)B3處斷口形貌 (b)C3處斷口形貌圖12 塞型斷裂模式下的斷口形貌

4 結(jié) 論

本文闡述了RFSSW接頭的斷裂機(jī)制,利用顯微組織、顯微硬度與斷口形貌等的試驗結(jié)果進(jìn)行了說明與驗證;并以下扎深度為焊接變量,研究了不同下扎深度對RFSSW接頭斷裂模式及機(jī)理的影響,得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)套筒下扎深度小于上板厚度時,RFSSW接頭的斷裂模式為剪切斷裂;上下板搭接界面由于較弱的原子擴(kuò)散作用而未形成較強(qiáng)的連接,因此裂紋主要沿著搭接界面擴(kuò)展。

(2)當(dāng)套筒扎入下板且hook缺陷的尖端位于上板時,裂紋更易沿著僅發(fā)生原子擴(kuò)散的TMAZ與SAZ區(qū)間的界面向上板上表面擴(kuò)展,形成剪切-塞型斷裂;當(dāng)hook缺陷尖端位于下板且SAZ區(qū)下方材料軟化程度較大時,裂紋易沿著TMAZ與SAZ區(qū)間的界面向下板下表面擴(kuò)展,形成塞型斷裂。

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(編輯 劉楊)

Effects of Plunge Depth on Fracture Behaviors of Refill Friction Stir Spot Welding

YUE Yumei1,LI Zhengwei1,MA Yinan1,CHAI Peng2,XING Jingwei1

(1. Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, 110136, Shenyang;2. School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, 100191, Beijing)

Effects of welding parameters on fracture behaviors of refill friction stir spot welding (RFSSW) welds are investigated. RFSSW is used to weld LY12 aluminum alloys with different thicknesses by changing the sleeve plunge depth. The fracture mechanisms of the welds are investigated from the aspects of material flow, atomic diffusion and softening, and are verified by the cross section, microstructure and hardness of the weld. Results show that the crack propagates along the interface of lap weld with lower joining strength and forms a shear fracture mode when the plunge depth is smaller than the thickness of upper plate, the hook defect is flat and thicknesses of bonding ligament in the weld are almost the same, and the crack is more easily to propagate along the withdrawing path with shorter atom diffusion time and results in the shear-plug fracture. When the sleeve penetrates into the lower plate thickness of 15%, the hook defect bends upwards and the crack defect appears at the sleeve withdrawing path. When the sleeve further plunges into the lower plate thickness of 35% and the hook defects present along a downward bending direction, the crack grows downwards along the withdrawing path of sleeve. When the crack reaches the bottom of lower plate, the plug fracture of RFSSW weld completed. These results show that the fracture morphologies are in agreement with analytical results of the fracture features.

refill friction stir spot welding; fracture behavior; aluminum alloy; plunge depth

2015-02-06。 作者簡介:岳玉梅(1971—),女,副教授。 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51204111);遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(2013024004)。

時間:2015-07-22

10.7652/xjtuxb201508020

TG453

A

0253-987X(2015)08-0122-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150722.1638.002.html