Al-Li合金攪拌摩擦焊搭接接頭的疲勞性能

張丹丹 曲文卿

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

楊模聰

(上海飛機制造廠，上海200436)

柴 鵬

(北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心，北京100024)

攪拌摩擦焊(FSW，Friction Stir Welding)是一種利用高速旋轉的攪拌探頭與工件摩擦產生的熱量，使被焊材料局部塑化的新型固相連接工藝，尤其適用于連接常規熔焊工藝難于連接的航空航天用鋁鋰合金材料，可避免合金元素的燒損、氣孔及凝固裂紋的產生，同時能提高接頭的力學性能，減輕結構重量，降低制造成本［1-4］.FSW 過程節能環保、易于控制，應用于航空航天領域具有明顯的經濟和技術優勢.

在航空航天結構中，“工”形、“Z”形和“L”形搭接結構非常普遍，采用FSW搭接技術代替傳統的鉚接，具有減重和提高結構整體性能的優勢［5-6］.在FSW搭接結構中，抗疲勞斷裂特性是評定結構件使用性能最重要指標之一，深入研究各種工藝參數、焊接缺陷、組織結構等因素對接頭疲勞性能的影響，將為航空航天制造領域推廣和應用FSW技術、建立合理有效的疲勞評定規范提供重要的依據［7-10］.

國外研究表明，FSW搭接接頭性能不低于鉚接，且界面成形對接頭力學性能十分重要.研究認為搭接接頭界面區域存在兩個類似裂紋的缺陷，被Brent Christner等人定義為界面畸變(hooking)和減薄(thinning)，這些缺陷均是微裂紋或微孔洞的富集帶，會導致搭接接頭連接界面的減小，從而降低接頭的強度和壽命.Raj Talwar等人通過對飛機結構件的失效評定認為，FSW搭接結構疲勞失效位置25%出現在前進側界面畸變位置，75%在后退側減薄位置出現裂紋［11］.本文針對 2 mm厚的Al-Li合金攪拌摩擦焊搭接接頭進行疲勞試驗，繪制母材與接頭的疲勞S-N曲線，分析界面成形缺陷對其疲勞性能的影響.

1 試驗方法和材料

攪拌摩擦焊選用2 mm厚2099和Al-Li-S4鋁鋰合金軋制板材作為母材，采用焊機FSW2-4CX-006焊接獲得“Z”型搭接接頭，如圖1所示.

圖1 “Z”型搭接結構示意圖

FSW攪拌頭采用直徑10 mm的雙圓環軸肩和直徑3.4 mm的圓錐形攪拌針，焊接工藝參數中旋轉速度為800 r/m，焊速為200 mm/min，采用長度為2.8 mm和2.5 mm攪拌針進行焊接，分別得到搭接接頭1和搭接接頭2.母材Al-Li-S4的化學成分見表1.

表1 Al-Li-S4鋁鋰合金母材的化學成分

焊后沿垂直焊縫的方向截取試樣，經打磨拋光后利用光學顯微鏡觀察微觀組織.拉伸試驗選用標準中板形試樣，試樣寬度為30 mm，總長為190 mm，標距為70 mm，采用WDW3050型試驗機進行拉伸.疲勞試驗按照航標HB5287-96《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》在GZ-100C型高頻疲勞試驗機上進行，正弦波形，振頻100Hz，應力比R=0.1.疲勞試樣如圖2所示，試樣中部為焊縫，兩側受到疲勞拉伸循環應力作用.另外采用JSM-5800掃描電鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)觀察試樣的疲勞斷口形貌，分析斷裂位置.力學性能試驗中每組試樣5個，取平均值.

圖2 疲勞試樣

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織分析

如圖3搭接接頭的宏觀形貌所示，攪拌針長度極大影響塑性材料的流動和熱輸入量，最終形成不同的焊核區形態.當攪拌針長度為2.8 mm時，焊核區塑性材料從前進側流動到后退側出現堆積(圖3a).當攪拌針長度為2.5 mm時，塑性材料流動較均勻，在搭接界面位置形成典型的“洋蔥環”結構(圖3b).另外，在兩種搭接接頭的后退側都形成“冷搭接缺陷”，這是由于后退側的界面金屬存在兩個方向的流動，兩個方向的材料在流動過程中出現交叉混合，材料順著攪拌針向著焊縫內部流動，就會出現搭接界面平移的現象［6］.

進一步觀察發現，搭接接頭1前進側搭接界面向下部 Al-Li-S4母材彎曲，在熱機影響區(TMAZ，Thermal-Mechanically Affected Zone)出現“鉤狀缺陷”.同時在鉤狀尖端還發現3個不同方向的裂紋擴展，容易引起應力集中，在受到疲勞載荷時，應力集中區會發生微區循環塑性變形，并受到周圍彈性區的約束，這種局部塑性循環區會導致疲勞裂紋的擴展，影響接頭的疲勞壽命.另外，鉤狀缺陷使原始搭接界面深入到下部母材當中，令接頭受拉承載的有效板厚減少，降低接頭的力學性能(如圖4a).通過圖4b觀察看出，當攪拌針長度變為2.5mm時，前進側鉤狀缺陷的形狀尺寸較接頭1有了明顯改善，即原始搭接界面沿90°方向擴展約0.05 mm，鉤狀尖端無裂紋擴展.已有研究表明:鉤狀缺陷是由塑性金屬在垂直方向上流動所造成的界面畸變，常常出現在搭接接頭中，與所選焊接工藝參數、攪拌頭形狀尺寸等因素有關［12］.

圖3 FSW搭接接頭的宏觀形貌

a 搭接接頭1

通過測試搭接接頭2的顯微硬度發現(如圖5):焊核區的硬度低于 HAZ，僅為母材硬度的70%～80%，且前進側 TMAZ硬度最低，說明TMAZ的鉤狀缺陷會降低接頭硬度.另外由于TMAZ受到不平衡的熱機作用，存在較大的殘余應力、晶粒變形與粗大以及不均勻分布的析出相，且前進側受到的剪切應力與組織變形程度均高于后退側，因此前進側的TMAZ硬度最低.

圖4 搭接接頭前進側TMAZ的“鉤狀”缺陷

圖5 FSW搭接接頭2顯微硬度

接頭不同區域的硬度值變化，與不同的晶粒尺寸、析出強化相以及組織狀態等因素有關，焊核區再結晶晶粒雖然較HAZ細化，但由于直接受到攪拌針的攪拌摩擦作用，峰值溫度最高，沉淀相粒子將發生固溶、析出過程，影響焊核區硬度.

綜上所述，采用不同長度的攪拌針帶來不同的焊核區形態，也影響接頭的界面成形性能.典型的界面缺陷——鉤狀缺陷的形狀尺寸與攪拌針的長度有關，若攪拌針長度不適宜，容易導致金屬材料流動不均勻，使TMAZ出現鉤狀缺陷，引起應力集中和裂紋擴展，降低接頭的力學性能.另外，選擇良好的焊接工藝參數是獲得良好接頭疲勞性能的前提.其中，不同的焊接工藝參數決定了不同的熱輸入量，這就在很大程度上決定了焊接過程中的冶金轉變，如增溶作用、二次析出和沉淀相長大等，同時決定焊縫組織的強度，從而影響接頭的疲勞性能.

2.2 搭接接頭的疲勞試驗

表2給出了Al-Li-S4母材及兩種搭接接頭的靜力拉伸性能，在拉伸過程中，搭接接頭的塑性變形能力較弱，屈服階段不明顯，接頭的延伸率低，最高僅達到母材的24%.究其原因，主要是由于搭接接頭前進側存在“鉤狀缺陷”，引起應力集中，導致裂紋的萌生及擴展，同時減小了焊接板的有效承載厚度.而后退側的“冷搭接缺陷”則會嚴重影響搭接接頭的有效搭接寬度，使得搭接界面的承載面積減小，最終降低接頭的力學性能.

另外，通過對比可以看出，攪拌針長度對搭接接頭的拉伸力學性能有明顯影響，搭接接頭2的強度及延伸率較接頭1分別提高了18%和16%，抗拉強度為467 MPa，達到母材的94%.

表2 母材與搭接接頭拉伸性能

如圖6所示，疲勞試驗對比了不同搭接接頭與Al-Li-S4母材在3個不同疲勞應力(即疲勞循環應力中最大應力)水平下的疲勞壽命.搭接接頭1在較低的疲勞應力200 MPa條件下，疲勞壽命不超過2萬次，說明搭接接頭1的疲勞性能很差.當攪拌針長度改為2.5 mm時，搭接接頭2的疲勞壽命有了明顯提高，在280 MPa疲勞應力下，接頭疲勞壽命達到6.2萬次;但在200 MPa疲勞應力下，母材達到200萬次未斷，而接頭2疲勞壽命僅為15萬次.

圖6 母材與搭接接頭疲勞性能對比

圖7建立了搭接接頭2與Al-Li-S4母材的疲勞S-N曲線，分析可知:搭接接頭在高疲勞應力水平下，疲勞壽命接近母材，但隨著疲勞應力水平降低，接頭疲勞壽命急劇下降，200萬循環周次下的疲勞強度為80 MPa，僅是母材的35%.

圖7 母材與搭接接頭疲勞S-N曲線

根據斷裂力學理論，一個含有初始裂紋(長度為a0)的構件，當承受靜載時，只有當應力水平達到臨界應力σc時才會發生失穩擴展.但如果構件承受疲勞循環應力作用時，初始裂紋一開始就會發生緩慢擴展，當裂紋長度達到臨界裂紋長度ac時，構件就會發生破壞.故在高周疲勞范圍，應力集中即TMAZ鉤狀缺陷位置，對于裂紋的萌生和擴展起決定性的影響，是發生疲勞破壞的薄弱環節，控制結構的疲勞壽命.

2.3 疲勞斷口形貌

圖8a和圖8b分析認為，搭接接頭1疲勞斷裂是從前進側的“鉤狀缺陷”起裂，疲勞源呈現線源特征，說明鉤狀尖端的裂紋引起缺口效應，導致局部塑性應變集中，引發疲勞裂紋的早期擴展.圖8c為疲勞擴展區的疲勞條帶以及垂直于擴展方向的二次裂紋，疲勞條帶是疲勞斷口典型的微觀特征，其粗細間距與交變應力有近似對應的關系.圖8d為瞬斷區斷口形貌，由于裂紋的不斷擴展，使剩余面積逐漸減小，當剩余面積不足以承受外載荷時，裂紋就發生失穩擴展以至斷裂.圖中韌窩分布不均，細小且淺，說明瞬斷區塑性變形少.

圖8 搭接接頭1疲勞斷口(SEM)

圖9 搭接接頭2疲勞斷口(SEM)

通過圖9分析可知，搭接接頭2的疲勞斷裂從前進側TMAZ起裂，呈現典型的單源特征，同時疲勞擴展區的疲勞條帶明顯，說明接頭2的疲勞性能有所改善.由于TMAZ受到探針的剪切作用，晶粒發生較大變形，同時受到鉤狀缺陷的影響，硬度值最低，所以接頭容易在TMAZ發生疲勞破壞.從圖9d瞬斷區形貌可以看出，韌窩是微孔聚集長大的結果，韌窩內大多包含一個夾雜物或第二相，圖中韌窩細小且淺，存在撕裂棱.

3 結論

當采用轉速為800 r/m，焊速為200 mm/min，攪拌針長度為2.5mm的工藝參數焊接時，接頭的強塑性最佳，抗拉強度達到 467 MPa，為母材的94%.

采用不同長度的攪拌針焊接，產生了不同的焊核區形態，影響了接頭的界面成形性能.典型的界面缺陷——“鉤狀缺陷”出現在前進側的TMAZ，其形狀尺寸與攪拌針長度有關.鉤狀缺陷容易引發裂紋的萌生及擴展，導致應力集中，減少接頭的有效承載厚度，降低其力學性能.

搭接接頭疲勞S-N曲線表明:在高疲勞應力水平下，搭接接頭的疲勞壽命接近母材;但隨著疲勞應力水平降低，接頭的疲勞壽命急劇下降，200萬循環周次下的疲勞強度為80 MPa，僅達到母材的35%.

搭接接頭的疲勞斷口分析表明:搭接接頭在前進側的TMAZ發生疲勞破壞，當“鉤狀”尖端無裂紋擴展時，接頭的疲勞性能較好，疲勞源區呈現單點源特征且疲勞條帶明顯.

References)

［1］王大勇，馮吉才，王攀峰.攪拌摩擦焊接Al-Li合金接頭的微觀組織及力學性能［J］.金屬學報，2004，40(5):504-508 Wang Dayong，Feng Jicai，Wang Panfeng.Microstructures and mechanical properties of Al-Li alloy friction stir weld［J］.Journal of Acta Metallurgica Sinica，2004，40(5):504-508(in Chinese)

［2］ Lertora E，Gambaro C.AA8090 Al-Li alloy FSW parameters to minimize defects and increase fatigue life［J］.Int J Mater Form，2010，3:1003-1006

［3］ Cavaliere P，Cabibbo M，Panella F.2198 Al-Li plates joined by friction stir welding:mechanical and microstructural behaviour［J］.Materials and Design，2009，30:3622-3631

［4］ Wei Shitong，Hao Chuanyong，Chen Jichun.Study of friction stir welding of 01420 aluminum-lithium alloy［J］.Materials Science and Engineering，2007，452:170-177

［5］欒國紅.飛機制造中的攪拌摩擦焊技術及其發展［J］.航空制造技術，2009，20:26-31 Luan Guohong.Fricition stir welding technology and its development in manufacturing of aircraft［J］.Journal of Aeronautical Manufacturing Technology，2009，20:26-31(in Chinese)

［6］劉紅兵，陳潔，占小紅，等.鋁合金攪拌摩擦焊搭接焊的研究概述［J］.熱加工工藝，2011，40(19):126-132 Liu Hongbing，Chen Jie，Zhan Xiaohong，et al.Review on friction stir lap welding of aluminum alloy［J］.Journal of Hot Working Technology，2011，40(19):126-132(in Chinese)

［7］曹麗杰，張朝民，郭洋，等.鋁合金攪拌摩擦焊接接頭疲勞行為的研究［J］.兵器材料科學與工程，2010，33(3):92-96 Cao Lijie，Zhang Chaomin，Guo Yang，et al.Fatigue behavior of friction stir welded aluminum alloy joints［J］.Journal of Ordnance Material Science and Engineering，2010，33(3):92-96(in Chinese)

［8］周才智，楊新岐，欒國紅.攪拌摩擦焊接頭疲勞行為研究現狀［J］.稀有金屬材料與工程，2006，35(7):1172-1176 Zhou Caizhi，Yang Xinqi，Luan Guohong.Research progress on the fatigue behavior of friction stir welded joints［J］.Journal of Rare Metal Materials and Engineering，2006，35(7):1172-1176(in Chinese)

［9］ Fersini D，Pirondi A.Fatigue behaviour of Al2024-T3 friction stir welded lap joints［J］.Engineering Fracture Mechanics，2007，74:468-480

［10］ Liu H J，Fujii H，Maeda M，et al.Tensile properties and fracture locations of friction-stir-welded joints of 2017-T351 aluminum alloy［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，142:692-696

［11］郭曉娟，董春林，康舉，等.攪拌摩擦焊搭接界面缺陷初步研究［C］//第十五次全國焊接學術會議論文集.北京:中國機械工程學會，2010 Guo Xiaojuan，Dong Chunlin，Kang Ju，et al.Preliminary study on interface defects of friction stir welded lap joints［C］//The 15th National Welding Conference.Beijing:Chinese Mechanical Engineering Society，2010(in Chinese)

［12］徐效東，楊新岐，吳鐵，等.鋁合金攪拌摩擦焊搭接接頭工藝及組織性能研究［J］.金屬鑄鍛焊技術焊接學報，2010，39(15):125-129 Xu Xiaodong，Yang Xinqi，Wu Tie，et al.Study on microstructure and properties of friction stir welded lap joints of aluminum alloy［J］.Journal of Hot Working Technology，2010，39(15):125-129(in Chinese)