鋁合金攪拌摩擦焊搭接焊縫組織特征與疲勞斷裂行為研究

1、.天津大學(xué) 碩士學(xué)位論文鋁合金攪拌摩擦焊搭接焊縫組織特征與疲勞斷裂行為研究 姓名：徐效東 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：材料加工工程 指導(dǎo)教師：楊新岐 2011-12 摘要 本文以、和 三種鋁合金為研究對象，對攪拌摩擦焊（）搭接接頭的組織特征及疲勞斷裂行為進(jìn)行了詳細(xì)的研究。首先對搭接接頭微觀組織和硬度分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了搭接接頭中存在的鉤狀缺陷，探討了鉤狀缺陷對搭接接頭疲勞性能的影響；其次針對這三種鋁合金進(jìn)行了一系列疲勞試驗(yàn)研究，將鋁合金搭接接頭與國際焊接學(xué)會（）推薦規(guī)范中的鋁合金熔焊接頭進(jìn)行了疲勞性能對比，同時(shí)分析了應(yīng)力比、焊接規(guī)范 （單道、雙道）和材料類別對鋁合金搭接接頭疲勞性能的影

2、響；最后對疲勞斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，研究搭接接頭疲勞斷裂機(jī)理。 金相組織分析表明，鋁合金搭接接頭兩板重合區(qū)域末端存在兩個(gè)類似缺口的未連接區(qū)域，即鉤狀缺陷，這是與對接接頭不同的一個(gè)顯著特征。鉤狀缺陷是一種不利的界面偏移，造成界面線的不連續(xù)并且其尖端引起較大的應(yīng)力集中。同時(shí)鉤狀界面線進(jìn)入搭接接頭上板將使接頭明顯降低，而對于鋁合金而言，接頭越大，疲勞強(qiáng)度越高。因此鉤狀缺陷引起搭接接頭上板變薄會降低其疲勞性能。本試驗(yàn)中所有疲勞試件全部從接頭上板承載側(cè)鉤狀缺陷位置處起裂，隨后向擴(kuò)展直至最終斷裂。整體來看，雙道焊與單道焊相比并沒有有效改善鉤狀缺陷的偏移程度和接頭的疲勞性能。 疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁合金搭接接

3、頭的疲勞強(qiáng)度明顯低于規(guī)范中熔焊搭接接頭的疲勞強(qiáng)度，與疲勞強(qiáng)度近似相當(dāng)。鋁合金搭接接頭在時(shí)疲勞極限特征值最大可到，僅在時(shí)為，其余均比設(shè)計(jì)值高：鋁合金搭接接頭疲勞極限特征值在之間；而鋁合金搭接接頭為，疲勞性能整體較差。同時(shí)當(dāng)應(yīng)力比升高時(shí)，鋁合金搭接接頭疲勞壽命將會降低。在低應(yīng)力區(qū)，材料類別對接頭疲勞性能影響很小或者可以忽略；但在高應(yīng)力區(qū)，抗拉強(qiáng)度較高的鋁合金搭接接頭比塑性較好的鋁合金搭接接頭則表現(xiàn)出了較好的疲勞眭能。 疲勞斷口分析表明，疲勞試件均為多重起裂并且裂紋源均位于搭接接頭上板底部鉤狀缺陷處。裂紋擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為類脆性斷裂特征且在部分鋁合金搭接接頭中發(fā)現(xiàn)了疲勞輝紋。雙道焊接頭與單道焊接頭相比，裂

4、紋源和裂紋擴(kuò)展區(qū)二次裂紋數(shù)目較多，使得其疲勞性能較低。在最終瞬斷區(qū)可以看到等軸韌窩并且伴隨有明顯的撕裂脊，具有典型的韌性斷裂特征。哭灌詞：鋁合金；攪拌摩擦焊；搭接接頭；疲勞性能；鉤狀缺陷 ， 。， （） 謝 ?悖澹螅錚? ， （） （）， ， ， ， ， 、析 ， ， ， ， ： ， ， ， ， 第一章緒論 第一章緒論選題背景及研究意義 面對我國能源日益缺乏、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，節(jié)能、環(huán)保已成為社會發(fā)展的主旋律。鋁合金等輕質(zhì)高性能材料的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。鋁是一種可再生資源，廢棄的鋁制品可回收重熔，既節(jié)能又可減少環(huán)境污染】。此外，鋁及鋁合金具有優(yōu)越的性能：密度小，重量輕；易在表面生成

5、一層致密的氧化膜，可阻止內(nèi)部鋁的繼續(xù)氧化，因而耐蝕性好；在適當(dāng)條件下，鋁合金具有良好的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能。此外，地殼中鋁元素含量十分豐富，可滿足長期使用的需求。因此鋁及鋁合金用途十分廣泛，目前已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、機(jī)械制造、建筑等領(lǐng)域，。 鋁合金材料廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀對連接技術(shù)提出了更高的要求。由于鋁合金材料的特殊性，當(dāng)采用傳統(tǒng)的熔化焊方法連接時(shí)往往會產(chǎn)生氣孔、熱裂紋、翹曲變形等多種焊接缺陷【】。這些焊接缺陷將會嚴(yán)重降低鋁合金接頭的力學(xué)性能，因此傳統(tǒng)的焊接方法已經(jīng)無法滿足鋁合金材料的連接要求，研究發(fā)展新型焊接方法變得尤為迫切。 攪拌摩擦焊（ ，簡稱）是由英國焊接研究所（ ，簡稱）于年提

6、出的一種新型固態(tài)塑性連接方法，其在鋁合金焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)熔化焊相比，無煙塵、飛濺產(chǎn)生，無需添加焊絲和保護(hù)氣體，是一種綠色焊接方法。焊縫區(qū)域不存在金屬的熔化過程，不會產(chǎn)生熔焊接頭中存在的各種焊接缺陷。此外，接頭中不存在大范圍的熱塑性變化過程，其內(nèi)應(yīng)力及變形較小，基本可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的低應(yīng)力無變形焊接。接頭具有較好的拉伸、彎曲和疲勞性能睜】。正是由于所具有的上述優(yōu)點(diǎn)，自其問世以來，已受到世界上主要工業(yè)化國家的重視。 目前，國內(nèi)在方面的研究主要集中在對接接頭方面，其微觀組織結(jié)構(gòu)，硬度分布和力學(xué)性能理論體系已經(jīng)建立【， 。近年來，搭接接頭越來越受到大家的關(guān)注，以用來替代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的鉚接接頭

7、。事實(shí)上，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，常常會涉及搭接接頭的焊接，如傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)身蒙皮、加筋板、機(jī)翼框架及地面甲板等結(jié)構(gòu)件，汽車車體、油箱和輪箍輻條之間的連接，汽車車座的后支撐架的連接等都不可避免地會涉及諸多結(jié)構(gòu)件的搭接問題【】始】。 搭接接頭的疲勞行為是工程界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題，尤其是在航空、航 第一章緒論天等飛行器結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，搭接接頭是關(guān)鍵的連接形式之一，這些結(jié)構(gòu)件由于承受交變載荷，極易發(fā)生疲勞斷裂，因此抗疲勞斷裂特性是評定構(gòu)件使用性能極為重要的指標(biāo)之一。此外，由于疲勞行為的隨機(jī)性和統(tǒng)計(jì)性特征，對在不同條件下的疲勞數(shù)據(jù)的積累也是非常必要的?，F(xiàn)階段關(guān)于鋁合金接頭疲勞性能評定規(guī)范還沒有確立，對鋁合金搭接

8、接頭疲勞性能的研究更是少之又少。焊道數(shù)目（單道、雙道）、鉤狀缺陷和應(yīng)力比對疲勞性能的影響還未明確。本論文計(jì)劃對鋁合金搭接接頭的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)探討，分析各種因素的影響，研究結(jié)果將為技術(shù)在航空、航天構(gòu)件制造工業(yè)中的推廣應(yīng)用提供重要理論和試驗(yàn)依據(jù)。攪拌摩擦焊工藝 依據(jù)待連接兩塊試板問的相對擺放位置，可分為對接焊和搭接焊兩種，如圖所示。 （）對接接頭 （）搭接接頭 圖攪拌摩擦焊原理示意圖 是利用一種非耗損的特殊形狀的攪拌工具，旋轉(zhuǎn)著插入被焊試件，然后沿著待焊界面向前移動，通過對材料的攪拌和摩擦，使其加熱至熱塑性狀態(tài)，在攪拌工具高速旋轉(zhuǎn)的帶動下，塑性材料環(huán)繞攪拌工具由前向后轉(zhuǎn)移，同時(shí)結(jié)合攪拌工具對焊縫

9、金屬的擠壓，在熱機(jī)聯(lián)合作用下，通過材料擴(kuò)散形成的致密的金屬問固相連接丌。此外，傳統(tǒng)藝在焊接結(jié)束時(shí)由于攪拌工具端頭旋出會在焊縫終端留下匙孔。由于的熱量來源主要為攪拌工具與被焊材料之間的摩擦產(chǎn)熱，在焊接過程中軸向壓力很大，在焊縫起焊和收焊的位置往往是焊接缺陷產(chǎn) 第一章緒論生較嚴(yán)重的地方擂】。通常這個(gè)匙孔可以通過引出法切除掉，也可以用伸縮式攪拌工具焊接法【引、摩擦塞焊法【川以及熔焊填充法川等方法進(jìn)行填補(bǔ)。攪拌摩擦搭接焊的發(fā)展現(xiàn)狀 飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的鉚接方式主要有兩種：（）蒙皮與蒙皮之間的搭接；（）蒙皮板與筋條之間的搭接（。在大型飛機(jī)機(jī)身制造過程中，“工”型、“”型和“”型加強(qiáng)筋條和蒙皮壁板之間的搭接結(jié)構(gòu)非

10、常普遍，通常采用鉚釘連接，其連接過程復(fù)雜。而且鉚釘孔易于裂紋優(yōu)先形核并為動態(tài)損傷提供擴(kuò)展路徑，使飛機(jī)蒙皮和筋條鉚接結(jié)構(gòu)件發(fā)生整體破壞形式的失效，很容易引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連鎖破壞反應(yīng)，后果是非常嚴(yán)重的。如前所述，攪拌摩擦搭接焊具有優(yōu)越的連接性能且連接機(jī)理簡單，易于操作，在飛行結(jié)構(gòu)中采用搭接接頭在原理上能夠改善構(gòu)件力學(xué)性能、減輕重量及延長檢查的周則】。 進(jìn)行鋁合金搭接焊連接時(shí)需要采取一些必要的預(yù)防措施：（）搭接接頭的寬度必須比等強(qiáng)度對接接頭厚度要長以便于實(shí)現(xiàn)正確的載荷轉(zhuǎn)換；（）采用特殊攪拌工具使得連接界面處殘留氧化物量最少【】。施加在搭接接頭兩端的應(yīng)力會在接頭連接區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)非軸向的應(yīng)力【】，因此搭接

11、接頭與對接接頭相比，受力比較復(fù)雜，既存在剪切力又存在彎曲力。 腦【】等認(rèn)為由于在搭接接頭中存在一個(gè)需要連接的水平界面，要想獲得有效的搭接接頭，必須要保證存在足夠?qū)挼暮负嗣娣e和符合要求的焊核完整性以獲得足夠的接頭冶金和機(jī)械性能。攪拌摩擦焊搭接接頭特征接頭結(jié)構(gòu)配置 鑒于搭接接頭前進(jìn)側(cè)（）和后退側(cè)（）的金屬流動是不對稱的，造成接頭缺陷形式及力學(xué)性能的差異，因此針對不同的結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)當(dāng)采用不同的搭接接頭形式。根據(jù)搭接接頭上下板材與攪拌工具的位置不同，可以分為以下兩種結(jié)構(gòu)配置：左側(cè)攪拌摩擦搭接焊和右側(cè)攪拌摩擦搭接焊【，如圖所示。這樣在搭接接頭承載過程中就存在上板承載和上板承載兩種承載模式，如圖所示【】。

12、 第一章緒論 姐娃 矗拳 （）左側(cè)攪拌摩擦搭接焊（）右側(cè)攪拌摩擦搭接焊 圖搭接接頭結(jié)構(gòu)配置【】 碼一蔓三毛三誓三蘭里三置 隧 辱一三；專三翼三三蘭圣翌 。 贏 圖搭接接頭兩種不同的承載模式】 】等認(rèn)為當(dāng)上板后退側(cè)承載時(shí)，接頭具有更高的剪切強(qiáng)度。接頭斷裂位置大部分位于上板后退側(cè)焊核區(qū)內(nèi)部靠近邊界處，其強(qiáng)度主要取決于后退側(cè)接頭承載厚度。同時(shí)在搭接接頭后退側(cè)發(fā)現(xiàn)了界面線向上彎曲形成的鉤狀幾何形狀，降低了搭接接頭的強(qiáng)度。】等通過剪切拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上板前進(jìn)側(cè)為承載側(cè)時(shí)，鉤狀尖端成為初始裂紋點(diǎn)并且沿著鉤狀缺陷形狀進(jìn)行開裂：當(dāng)上板后退側(cè)為承載側(cè)時(shí)，裂紋最初在變薄初始位置處形核，但是并不沿著變薄路徑進(jìn)行開裂

13、，試樣最終在斷裂，可見后退側(cè)變薄現(xiàn)象對裂紋增殖沒有明顯影響。此外， 】等人通過改變接頭配置結(jié)構(gòu)、攪拌工具外形和旋轉(zhuǎn)速度對搭接接頭強(qiáng)度和冶金性能進(jìn)行了研究。其中上板前進(jìn)側(cè)承載比上板后退側(cè)承載的結(jié)構(gòu)配置更有效，此時(shí)材料塑性流動可使接頭在抗剪試驗(yàn)中獲得最大的承載面積；采用圓柱形攪拌針時(shí)，在兩板之間界面處存在較大的接觸面積，可以獲得較大的焊核面積，但是這樣在垂直方向上將缺少塑性流動。圓錐形攪拌針可以獲得較強(qiáng)的材料垂直螺旋形塑性流動，但是，由于此類攪拌針在兩板界面處面積較小， 第一章緒論因而接頭承載面積較小。研究發(fā)現(xiàn)采用圓柱圓錐攪拌針可以綜合上述兩種接頭的有效因素并且獲得性能最好的搭接接頭。界面遷移現(xiàn)象

14、 現(xiàn)有研究結(jié)果表明，在一些焊接條件下，搭接接頭中存在著界面遷移現(xiàn)象，在接頭承載條件下往往作為裂紋優(yōu)先形核位置，影響接頭性能，而且采用傳統(tǒng)的無損檢測（）技術(shù)檢測不到該類缺陷的存在【。搭接接頭中的這種遷移界面實(shí)質(zhì)上是一種未熔合缺陷，該遷移界面的垂直遷移量取決于單位時(shí)間內(nèi)攪拌針垂直方向上驅(qū)動的塑性金屬量【。 ，等將這種在搭接接頭中存在的遷移界面稱為鉤狀缺陷，認(rèn)為其為類似缺口的弱連接區(qū)域，該缺陷造成搭接接頭有效承載面積的減少，進(jìn)而影響接頭強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度?！康韧ㄟ^彎曲、拉伸和疲勞試驗(yàn)均表明了該類缺陷的不利性，證實(shí)這種缺陷是導(dǎo)致彎曲試樣發(fā)生斷裂，拉伸試樣具有較低的極限抗拉強(qiáng)度和疲勞試樣壽命高分散度的

15、根本原因，此外鉤狀缺陷尺寸會隨著焊接速度的升高或攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度的降低而減小，然而該缺陷并不能通過改變焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度而得到完全消除。 】等發(fā)現(xiàn)在和 鋁合金的搭接接頭中，兩板分界面在前進(jìn)、后退側(cè)?哂型畢蟶锨蘋蟯畢螄慮屏街中翁焊核區(qū)遷移界面卻向相反方向遷移。隨著攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度的升高和焊接速度的降低，遷移界面的遷移量增加且界面形狀更加尖銳，使得其尖端應(yīng)力集中加劇，從而降低了接頭的承載能力。 柯黎明】等通過研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用表面有螺紋的攪拌針進(jìn)行焊接時(shí)，遷移界面的遷移方向取決于攪拌針表面的螺紋方向：左旋螺紋攪拌工具所得焊縫遷移界面均向上遷移，右旋螺紋攪拌工具所得焊縫遷移界面均向下遷移。研究人員采用

16、 “抽取擠壓”理論對該焊縫厚度方向上的金屬遷移行為進(jìn)行了解釋，如圖所示。攪拌針附近塑化金屬受摩擦力痢法向壓力的合力作用時(shí)，塑化金屬隨攪拌針做向下（左旋）或向上（右旋）的旋轉(zhuǎn)螺旋運(yùn)動，擠壓周圍金屬并在攪拌針端部（左旋）或者根部（右旋）形成擠壓區(qū)，隨后塑性金屬流向攪拌針另一端阻力較小瞬時(shí)抽吸區(qū)遷移，搭接界面的金屬在摩擦力的作用下也隨之向上（左旋）或向下（右旋）遷移。對于左旋螺紋攪拌針而言，焊接過程中受軸肩的旋轉(zhuǎn)摩擦作用在焊縫上部產(chǎn)生的塑化金屬，受到軸肩的頂鍛作用，在后退側(cè)做向下并向焊縫中心的遷移運(yùn)動，使后退側(cè)的界面向焊縫中心遷移。而對于右旋螺紋攪拌針而言，由于攪拌針端部溫度較低，界面遷移至攪拌針端

17、部就基本停止，因此使下板有效板厚減小。 第一章緒論 搭接接頭界面形態(tài)對接頭應(yīng)力分布存在明顯的影響，其遷移界面的存在使得該遷移界面尖端的剪切應(yīng)力集中，且該尖端越尖銳，即遷移界面切線與水平面夾角的最大值（伐角）越大，如圖所示【，應(yīng)力集中越嚴(yán)重。因此鉤狀缺陷越尖銳，最大應(yīng)力集中值越大，同時(shí)鉤狀缺陷垂直遷移量越多，焊后搭接接頭承載的有效板厚越小，將會降低接頭性能。對于搭接接頭，通過增大攪拌針直徑的尺寸，便可得到一個(gè)具有寬大焊核區(qū)的接頭，有利于提高接頭的抗剪切能力，從而改善接頭的力學(xué)性能。此外，當(dāng)兩板接合面與攪拌針底部距離較近時(shí)可改善搭接接頭界面形狀。 （）左旋螺紋攪拌針 （）右旋螺紋攪拌針 圖搭接接頭

18、焊縫界面遷移過程示意圖【】 一， 諺一一 圖攪拌摩擦焊搭接接頭應(yīng)力分布示意圖】攪拌摩擦焊搭接接頭性能影響因素的研究 研究發(fā)現(xiàn)，搭接接頭的靜載強(qiáng)度與電阻點(diǎn)焊和鉚接接頭相當(dāng)，其剪切拉伸強(qiáng)度是單排鉚接接頭的倍】。，等在靜載條件下采用二次重復(fù)焊接規(guī)范獲得的最大接頭效率可達(dá)，與對接接頭相當(dāng)并且比鉚接接頭高。研究人員提出影響搭接接頭性能的兩大參數(shù)：接頭有效承載厚度和接頭界面形狀（鉤狀缺陷）。 第一章緒論工藝參數(shù)對搭接接頭性能的影響 搭接接頭強(qiáng)度很大程度上依賴于在焊接過程中材料如何流動形成焊核區(qū)以及接頭在性能測試時(shí)的載荷加載方式?！康韧ㄟ^研究發(fā)現(xiàn)，攪拌針長度需要比板厚稍微大些以形成完全接頭。隨著攪拌針長度的增加，接頭強(qiáng)度增加，然而當(dāng)攪拌針長度達(dá)到有效值后，再增加其長度反而會降低其強(qiáng)度。研究人員認(rèn)為影響搭接接頭抗拉強(qiáng)度的主要焊接參數(shù)是攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度，較高的旋轉(zhuǎn)速度往往對應(yīng)較低的抗拉強(qiáng)度值，這主要是因?yàn)殡S著旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭軟化現(xiàn)象加劇，同時(shí)界面線上升程度加劇，從而形成大角度的鉤狀缺陷，降低接頭的有效承載面積。 】等寸鎂合金搭接接頭的組織和性能進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了過程參數(shù)對搭接接頭強(qiáng)度的影響。攪拌工具均采用凹型（凹度為）軸肩，攪拌針分為三種：圓柱螺紋型（）、餅型（）和三角型（），如圖石所示。其是過渡接頭，具有另外兩者的特征，包括圓弧面上的螺紋凹槽和平面結(jié)構(gòu)。和攪拌針的尺寸為其內(nèi)切圓直徑，