2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭的裂紋擴展行為

段小雪，田志杰，杜巖峰，張彥華

（1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191;2.首都航天機械公司，北京 100076）

0 引言

2219鋁合金具有比強度高、低溫和高溫力學性能優良、斷裂韌度高以及抗應力腐蝕性能優越等特點，是制造運載火箭和航天飛機貯箱的理想材料之一。之前主要采用鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、電子束焊和變極性等離子體焊等熔焊方法對2219鋁合金進行連接［1－2］，但熔焊的接頭強度僅為母材的50%～70%，且接頭中易產生氣孔和熱裂紋等缺陷。

攪拌摩擦焊接作為一種新的焊接方法，以固相連接的特點在鋁合金焊接方面優勢明顯［3－8］。目前對鋁合金攪拌摩擦焊的研究多集中在接頭的組織和力學性能方面，而有關接頭中裂紋擴展問題的研究報道卻很少。攪拌摩擦焊接過程中，焊縫區經歷了高速率粘性流動遷移和劇烈的塑性變形，由此導致攪拌摩擦焊接頭的組織和力學性能具有較大的不均勻性，這必然會對裂紋擴展行為產生影響。因此，研究攪拌摩擦焊接頭中裂紋的擴展規律對焊接結構的斷裂控制設計具有重要意義。作者根據實際應用的需要，重點研究了2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區域的裂紋擴展抗力和裂紋擴展路徑，并分析了攪拌摩擦焊接頭組織和力學性能不均勻性對裂紋擴展的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用材料為300 mm×150 mm×6 mm的2219-T6鋁合金，其屈服強度、抗拉強度及伸長率分別為369 MPa，445 MPa和14.3%，名義化學成分如表1所示。

表1 2219鋁合金的名義化學成分（質量分數）Tab.1 Nom inal chem ical composition of 2219 alum inium alloy（mass） %

焊接試驗在自行改造的攪拌摩擦焊設備上進行，采用螺距為1 mm、軸肩直徑為24 mm、內凹角度為7°、探針長度5.8 mm、錐度為 20°、根部直徑為 6 mm的帶螺紋焊針。焊接過程中攪拌頭的旋轉速度為800 r·min－1，行進速度為220 mm·min－1，攪拌頭傾角為 2°。

焊接后制取焊接接頭金相試樣，用混合酸（1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O）溶液對拋光后的試樣進行腐蝕，在光學顯微鏡下觀察攪拌摩擦焊接頭橫截面的顯微組織。

按照GB/T 228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在Instron-1186型電子萬能試驗機上對縱向焊縫試樣、橫向接頭試樣以及母材進行拉伸試驗，其中縱向焊縫試樣在寬度為6 mm的純焊核區取樣。

裂紋擴展試樣采用緊湊拉伸型，取樣位置如圖1所示。試樣厚度為5 mm，寬度為76 mm，長度為80 mm。預制裂紋分別位于焊縫中心、前進側和回退側的熱機影響區（TMAZ）以及母材上。裂紋延性擴展試驗在MTS 810-50型液壓伺服疲勞試驗機上進行，儀器自動記錄載荷P和裂紋張開位移V的關系曲線。

圖1 裂紋擴展試樣的取樣位置Fig.1 Sampling places of the sample used for crack propagation test

獲取裂紋延性擴展試樣的裂紋擴展部分，將其切為兩片，觀察中間厚度的裂紋張開角，獲得必要的測量數據，計算裂紋尖端張開角（CTOA）。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀形貌

由圖2可以看出，攪拌摩擦焊接頭具有明顯的組織分區，可以分為焊核區、軸肩區、熱機影響區、熱影響區和母材區;焊縫區上寬下窄，呈“V”狀，焊核區存在一系列的同心圓環狀結構，即“洋蔥環”;前進側熱機影響區的面積大于回退側熱機影響區的。

2.2 拉伸性能

圖2 攪拌摩擦焊接頭的宏觀形貌Fig.2 Macrograph of FSWjoints

圖3 焊縫、橫向接頭及母材的抗拉強度及屈服強度Fig.3 Tensile strength and yield strength of weld seam，transverse joint and basemetal

從圖3可以看出，焊縫、橫向接頭的抗拉強度無顯著差異，均低于母材的抗拉強度;焊縫區、橫向接頭的屈服強度也遠小于母材的，焊縫的屈服強度不足母材的1/2?？梢?，2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭強度的不均勻性是比較顯著的。

2.3 裂紋擴展抗力

緊湊拉伸試驗中裂紋的擴展過程可用圖4來演示，縱軸為外加載荷P，橫軸為裂紋張開位移V，根據P-V曲線來確定斷裂參量的特征值。在試驗過程中，當載荷P小于某臨界值時，裂紋產生鈍化并不擴展;當載荷P超過某臨界值時裂紋起裂并穩定擴展;裂紋擴展到一定尺寸后載荷下降，試樣最終斷裂。

圖4 裂紋擴展示意Fig.4 Abridged general view of crack propagation

預制裂紋的試樣在拉伸過程中將發生裂紋起裂和擴展。在圖5中，P-V曲線下的面積是裂紋起裂和擴展過程中所消耗的能量，稱為斷裂吸收能，它的大小反映了材料的抗斷裂能力。斷裂吸收能越大，材料的抗斷裂能力越強。由圖5可以看出，母材的斷裂吸收能低于接頭試樣的，焊縫中心、前進側和回退側熱機影響區的斷裂吸收能無顯著差異。

圖5 不同試樣的載荷與裂紋張開位移曲線Fig.5 Load vs crack tip opening displacement for different samples

材料的抗延性斷裂能力也可用CTOA來表征［9－10］。由圖6可見，母材的CTOA值小于接頭各區域的。這說明母材的抗斷裂能力低于接頭各區域的，這與P-V曲線所對應的斷裂吸收能是一致的。

圖6 縱向延性裂紋擴展試樣在不同裂紋擴展長度下的CTOAFig.6 CTOA values of longitudinal crack propagation sam ples at different crack propagation lengths

綜上可見，盡管母材的強度高于接頭的，但抗裂紋擴展能力卻低于接頭的，母材中的裂紋一旦起裂便迅速擴展，而接頭各區域裂紋起裂后的擴展還需要進一步消耗能量，載荷需進一步提高以維持裂紋擴展，因此其剩余強度要高于母材的，從而可以保證焊接結構的完整性。另外，這也說明鋁合金攪拌摩擦焊接頭在強度設計方面要兼顧常規強度指標和抗斷裂能力。

2.3 裂紋擴展路徑

2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭不均勻的組織和力學性能使得裂紋擴展受到的抗力是變化的，由此導致裂紋擴展方向的不穩定性。由圖7可見，母材區的裂紋基本沿直線擴展;焊縫中心的裂紋大多向回退側熱機影響區和母材側擴展，也有沿焊縫中心區擴展的，焊縫中心裂紋穿越熱機影響區并進入母材后的擴展阻力降低，亦有可能導致裂紋快速擴展;位于前進側熱機影響區的裂紋大多向焊縫擴展，也有可能穿越焊縫向另一側母材擴展;裂紋在穿越不同區域時擴展阻力會發生變化;位于回退側熱機影響區的裂紋大多局限在該區內擴展，這種擴展特性反映了不同區域裂紋擴展阻力的不同。

從2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織分區（圖2）可以看出，貫穿熱機影響區的裂紋要跨越軸肩影響區和焊核區與母材的過渡區。前進側與回退側熱機影響區的組織具有一定的差異，前進側焊核區與母材之間的界面明顯，回退側焊核區與母材之間則是逐步過渡的組織。這表明前進側熱機影響區的變形梯度大，回退側熱機影響區的變形梯度小，變形梯度大的前進側熱機影響區的力學性能具有更大的不均勻性，這使得裂紋擴展方向具有更大的不穩定性。如果前進側焊核區與母材之間的界面存在缺陷，則其可能成為裂紋擴展的通道。因此，前進側焊核區與母材的連接質量對接頭整體的抗斷裂性能是非常重要的。

圖7 接頭不同區域內縱向裂紋的擴展路徑Fig.7 Propagation path of longitudinal cracks in different areas of joint:（a）basematel;（b）at the center of weld seam;（c）TMAZ at advancing side and（d）TMAZ at retreating side

3 結論

（1）2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭的強度低于母材的，但其抗裂紋擴展能力卻優于母材的，焊縫中心、前進側和回退側熱機影響區的抗裂紋擴展能力無顯著差異。

（2）2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和力學性能的不均勻使裂紋擴展方向具有不穩定性，前進側熱機影響區的裂紋在擴展過程中具有跨越焊縫擴展的趨勢，焊縫裂紋在擴展過程中會向回撤側熱機影響區偏轉，回退側熱機影響區和母材裂紋擴展的偏轉較小。

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