焊接工藝參數(shù)對7B04-T6鋁合金攪拌摩擦點焊接頭疲勞性能的影響

王 磊，趙新華,2，叢家慧,2，回 麗，付 強,2

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

0 引 言

攪拌摩擦點焊技術(shù)(FSSW)是在攪拌摩擦焊接(FSW)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項極具市場應(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焊(RFSSW)技術(shù)具有工藝簡單、焊接表面質(zhì)量優(yōu)異、焊接變形小、能耗低等優(yōu)點，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(shù)進行了相關(guān)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(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]對比了電阻點焊和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度和斷裂機理中起主導(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(fā)現(xiàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)和減小點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行連接，這無形中增加了飛機的質(zhì)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(fù)雜，也破壞了結(jié)構(gòu)的完整性，從而嚴重影響了結(jié)構(gòu)強度和可靠性。焊接工藝參數(shù)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(zhuǎn)速度下對1.5 mm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(shù)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(shù)研究院提供，化學成分見表1。鋁合金待焊件尺寸為170 mm×48 mm×1.5 mm，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5 mm，攪拌套直徑為9 mm，軸肩直徑為18 mm，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(zhuǎn)速度、插入時間、插入深度4個變量來設(shè)計RFSSW的正交試驗，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個試樣。

表1 7B04鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

圖1 RFSSW過程示意

表2 RFSSW工藝參數(shù)

以焊點為中心，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Olympus GX51型光學顯微鏡觀察截面顯微組織。按照GB/T 15111-1994，以焊點為中心截取如圖2所示的疲勞試樣，采用MTS 810型疲勞試驗機在室溫環(huán)境中進行拉-拉疲勞試驗，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1.909，0.191 kN，頻率為10 Hz，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。

圖2 疲勞試樣的尺寸

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

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行分析。由圖3可知：接頭分為焊核區(qū)(NZ)、熱機影響區(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，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；在機械和熱輸入的雙重作用下，熱機影響區(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)生動態(tài)再結(jié)晶形成較均勻細小的等軸晶粒。在熱機影響區(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，但可通過改進工藝來改善，從而提高接頭的連接性能[10]。

圖3 接頭截面的整體形貌和不同區(qū)域的微觀形貌

2.2 疲勞壽命

由圖4可知：當回填時間為2.0 s，插入時間為3 s，插入深度為1.9 mm，旋轉(zhuǎn)速度為2 500 r·min-1時，接頭的疲勞壽命最高，為211 919周次；當回填時間為2.0 s，插入時間為3 s，插入深度為1.7 mm，旋轉(zhuǎn)速度為2 500 r·min-1時，接頭的疲勞壽命最短，為102 054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)。因為鉤狀缺陷處會產(chǎn)生較為嚴重的應(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(fā)現(xiàn)：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(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(zhuǎn)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(jié)合有影響，但對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，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(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。

圖4 不同回填時間、插入時間、疲勞壽命、旋轉(zhuǎn)速度下接頭的疲勞壽命

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(zhì)量較好。上下板分離失效時，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，下板未發(fā)現(xiàn)裂紋，接頭表現(xiàn)出較低的疲勞壽命。

圖5 不同焊接工藝下接頭的疲勞斷口宏觀形貌

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(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)等3個區(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。疲勞裂紋擴展區(qū)相對于瞬斷區(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(fā)生瞬斷，在瞬斷區(qū)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(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，對疲勞性能產(chǎn)生不利的影響。

圖6 2#焊接工藝下接頭疲勞斷口的微觀形貌

3 結(jié) 論

(1) 不同焊接工藝下接頭均分為焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材，在熱機影響區(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，熱機影響區(qū)晶粒扭曲變形，焊核區(qū)為細小均勻的等軸晶。

(2) 焊接工藝參數(shù)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(zhuǎn)速度；在攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度為2 500 r·min-1，回填時間為2 s，插入深度為1.9 mm，插入時間為3 s下，接頭的疲勞壽命最高，可達211 919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(jié)合區(qū)的鉤狀缺陷位置，疲勞裂紋擴展區(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。