鋁合金攪拌摩擦焊疲勞強度研究

明德涵 王召勇

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333000）

0 引言

自1991年英國焊接所（TWI）發明攪拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）以來，攪拌摩擦焊作為1種固態焊接方法，具有綠色、環保、接頭強度高以及焊接變形小等優點，受到了國內外的廣泛關注，被大量應用于航空航天、船舶、軌道交通等領域[1]。同時，在這些行業中，鋁合金因為其具有比強度高、塑性好和耐腐蝕性強等優點，也被大量使用。

鋁合金的廣泛應用使其連接方式的選取成為熱點問題，而目前金屬材料的連接方式主要有鉚接和焊接2種形式。與鉚接相比，攪拌摩擦焊既節省了鉚釘安裝的時間，又減輕了結構重量，對飛行器結構設計具有重要意義。同時，攪拌摩擦焊作為1種固態塑性連接方法，可以避免傳統焊接方式帶來的氣孔、夾渣等缺陷，焊后接頭殘余應力較低、變形較小，具有較好的拉伸、彎曲和力學性能[2]。因此，作為1種新興的連接方式，攪拌摩擦焊在金屬材料的連接方面具有重要的應用價值，受到世界工業國家的重視。

到目前為止，對于攪拌摩擦焊的研究主要集中在工藝參數、材料和力學性能方面，對于攪拌摩擦焊搭接接頭的疲勞性能研究較少。因此，該文通過拉伸疲勞試驗，得到了鋁合金攪拌摩擦焊和點焊試驗件的疲勞性能，分析得到鋁合金攪拌摩擦焊和點焊試驗件的平均疲勞極限，為鋁合金攪拌摩擦焊的廣泛應用奠定了基礎。

1 試驗方法

試驗件所用材料為2A12鋁合金，抗拉強度為390 MPa。試驗件主要包括攪拌摩擦焊和點焊2種連接形式，每種連接形式各3件。所有試驗均在室溫下MTS810材料試驗機上完成。

如圖1所示，采用攪拌摩擦焊設備將兩塊鋁合金薄板以搭接方式焊接在一起，圖中黑色區域為焊縫，焊縫長度為120 mm，搭接寬度為18 mm，倒角半徑為120 mm，試驗件寬度為288 mm，厚度為1.5 mm。如圖2所示，點焊試驗件主要通過5個焊點將2塊搭接在一起的鋁合金薄板焊接在一起，焊點均勻分布，間距為26 mm，兩側焊點邊距為8 mm，其余尺寸與攪拌摩擦焊試驗件一致。

為了保證試驗不出現偏心情況，在試驗件兩端加裝等厚度墊片保證試驗件與連接夾具的中心線與試驗機夾頭中心線一致，試驗件加載方式如圖3所示，將試驗件兩端通過夾具固定在試驗機上，通過軸向拉伸方式施加載荷。

攪拌摩擦焊和點焊試驗件疲勞強度試驗的試驗載荷為軸向正弦波加載，受拉為正，加載頻率為5 Hz。采用靜載±動載的交變載荷形式加載，攪拌摩擦焊試驗件初級載荷為（1 472±1 216） N，點焊試驗件初級載荷為（1 700±1 400） N。試驗每進行30萬次，如果試驗件未出現裂紋，則靜動載荷按前一級升級20%后繼續試驗，以此類推，直至試驗件出現裂紋或破壞，或者試驗總次數達到120萬次，可以終止試驗。在試驗過程中定期檢查試驗件，出現裂紋則停止試驗并記錄試驗件的破壞形式及對應載荷。

圖1 攪拌摩擦焊試驗件

圖2 點焊試驗件

圖3 試驗加載方式示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 疲勞試驗結果

通過拉伸疲勞試驗，得到了攪拌摩擦焊試驗件和點焊試驗件在不同交變載荷下發生疲勞破壞時的載荷級數和循環次數。攪拌摩擦焊試驗件疲勞試驗結果見表1，點焊試驗件疲勞試驗結果見表2。由表中數據可以發現，前2件攪拌摩擦焊試驗件加載到第三級載荷時開始出現裂紋，且循環次數分別為59 131次和101 825次；第3件試驗件加載到第二級載荷開始出現裂紋，循環次數為237 364次。而3件點焊試驗件均加載到第四級載荷才出現裂紋，循環次數分別為29 039次、27 994次和36 797次。通過對比試驗件出現裂紋時的載荷級數和其對應的循環次數可以發現，不同攪拌摩擦焊試驗件之間發生疲勞破壞時的循環次數差異較大，而點焊試驗件之間發生疲勞破壞時的循環次數較小。這一現象表明，攪拌摩擦焊試驗件的疲勞性能較點焊試驗件更為分散。

表1 攪拌摩擦焊疲勞試驗結果

表2 點焊疲勞試驗結果

同時，對比攪拌摩擦焊和點焊試驗件發生疲勞破壞時的載荷大小可以發現，攪拌摩擦焊試驗件發生疲勞破壞時的載荷為（2 119.7±1 751） N和（1 766.4±1 459.2） N，點焊試驗件發生疲勞破壞時的載荷為（2 937.6±2 419.2） N。已知靜載和動載，則可以通過下式求得最大載荷和最小載荷，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：Sm為靜載，Sa為動載，Smax為最大載荷，Smin為最小載荷，r稱為循環特征或應力比[3]。因此，可以求得攪拌摩擦焊試驗件發生疲勞破壞時的最大載荷為3 870.7 N和3 225.6 N，應力比為0.1。而點焊試驗件發生疲勞破壞時的最大載荷為5 356.8 N，應力比為0.1。在相同應力比下，攪拌摩擦焊試驗件發生疲勞破壞的最大載荷小于點焊試驗件。

攪拌摩擦焊試驗件和點焊試驗件拉伸疲勞試驗裂紋分布如圖4和圖 5所示，從裂紋形貌中可以發現，攪拌摩擦焊試驗件裂紋均出現在焊縫上靠近焊縫邊緣的位置，并且裂紋擴展沿焊縫方向，與載荷方向垂直，裂紋形貌光滑平直。而點焊試驗件裂紋均出現在焊點上，貫穿整個焊點，各個焊點之間的裂紋相對獨立，裂紋形貌蜿蜒曲折。

考慮到2種焊接工藝的差別，攪拌摩擦焊通過高速旋轉的攪拌頭與工件表面接觸，焊縫區發生塑性變形，金屬擠壓流動轉移、擴散再結晶形成焊縫[4]；而點焊則通過電阻熱熔化金屬，形成焊點。因此，攪拌摩擦焊在搭接面生成完整焊縫，材料性質分布均勻，裂紋光滑連續；而點焊試驗件焊點與母材的強度差異導致在焊點處發生明顯的應力集中，造成裂紋首先出現在焊點上，裂紋形貌曲折且分布不均勻，有的焊點出現裂紋，有的焊點保持完整。因此，可以認為攪拌摩擦焊試驗件焊縫處性能分布比點焊試驗件焊點性能更均勻，裂紋擴展也就更加平滑。

以上分析表明，攪拌摩擦焊不同試驗件之間疲勞性能分散性大于點焊試驗件，造成發生疲勞破壞時的循環次數差異較大；但是對于同一試驗件，攪拌摩擦焊焊縫處的材料性能分布均勻，疲勞破壞時裂紋擴展平滑，證實了攪拌摩擦焊工藝能夠有效避免點焊過程中造成的氣孔、夾渣等缺陷[2]。

2.2 疲勞特性計算

疲勞特性采用下述S-N曲線表示，如公式（4）所示。

當疲勞試驗結果只有一級載荷時，根據S-N特性曲線方程即可直接求得單個試驗件的疲勞極限。當疲勞試驗結果含有多級載荷時，單個試驗件的疲勞極限采用Miner理論按下式迭代求解，如公式（5）所示。

圖4 攪拌摩擦焊裂紋示意圖

圖5 點焊試驗件裂紋示意圖

由于疲勞極限較好地符合對數正態分布，因此平均疲勞極限及標準差分別按下述公式計算，如公式（6）所示。

2種焊接試驗件材料均為2A12，材料參數見表3。

表3 S-N曲線參數

其中，D-表示試驗件材料為鋁合金，破壞模式為無擦蝕。結合以上數據，就可以通過公式（4）～公式（7）計算得到攪拌摩擦焊和點焊試驗件的平均疲勞極限和子樣標準差。

3件攪拌摩擦焊試驗件疲勞極限均小于點焊試驗件，并且攪拌摩擦焊試驗件的平均疲勞極限為1 735.0 N，點焊試驗件平均疲勞極限為2 423.7 N，具體情況見表4、表5。攪拌摩擦焊試驗件平均疲勞極限低于點焊試驗件，為點焊試驗件的71.6%。同時，攪拌摩擦焊試驗件子樣標準差為0.034，點焊試驗件子樣標準差為0.002。攪拌摩擦焊試驗件子樣標準差高于點焊試驗件，這就表明不同攪拌摩擦焊試驗件之間的疲勞性能較點焊試驗件更為分散。

表4 攪拌摩擦焊疲勞極限

表5 點焊試驗件疲勞極限

已有研究表明，攪拌摩擦焊接頭強度受攪拌頭形狀、尺寸以及工藝參數影響[4-5]，因此，在后續的研究中，還可以通過優化攪拌頭形狀、軸肩尺寸以及攪拌頭轉速等工藝參數增強鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能。

3 結語

該文通過對攪拌摩擦焊和點焊試驗件進行拉伸疲勞試驗，得到了鋁合金攪拌摩擦試驗件和點焊試驗件的平均疲勞極限。結果表明，攪拌摩擦焊可以有效避免傳統焊接中產生的氣孔、夾渣等缺陷，同一試驗件接頭的力學性能分布均勻；攪拌摩擦焊試驗件的平均疲勞極限低于點焊試驗件，為點焊試驗件的71.6%，并且攪拌摩擦焊平均疲勞極限的子樣標準差高于點焊，不同試驗件之間疲勞極限的分散性更大。