A6N01S-T5鋁合金厚板攪拌摩擦焊接頭疲勞性能

孟祥瑞，何永攀，劉　建，方喜風，程永明，張風東，李遠星

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都611031）

A6N01S-T5鋁合金厚板攪拌摩擦焊接頭疲勞性能

孟祥瑞1，何永攀2，劉建1，方喜風1，程永明1，張風東1，李遠星2

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都611031）

對42 mm厚A6N01S-T5鋁合金型材進行雙面攪拌摩擦焊接，焊后沿焊縫橫截面將接頭分為上、中、下三層分別進行疲勞試驗，探究其疲勞性能；通過金相組織觀察、顯微硬度測試、斷口分析等方法分析接頭疲勞斷裂的原因。結果表明，接頭疲勞斷裂多發生在熱影響區，上、中、下三層的疲勞極限分別為103.9 MPa、101.4 MPa和102.2 MPa；焊核區微觀組織為細小等軸晶粒，熱影響區組織形貌與母材接近，略有粗化現象；接頭顯微硬度分布呈W型，母材硬度約為108 MPa，焊核區約為75 HV，距離焊縫中心約10 mm的HAZ軟化區硬度值最低，約為55～60 HV；疲勞源多為氧化物夾雜造成的應力集中誘發形成。

A6N01S-T5鋁合金；雙面攪拌摩擦焊接；疲勞性能；顯微組織

0　前言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種固相連接方法，在焊接鋁合金方面有著傳統熔化焊方法無法比擬的優勢。對于傳統的熔化焊方法，采用再好的焊接設備也難免會產生裂紋、氣孔等焊接缺陷，而攪拌摩擦焊不會使焊縫金屬發生熔化，其焊縫中心的最高溫度僅為母材熔點的0.7～0.9倍[1]，不會在接頭區域產生較大的溫度梯度，可以避免熔化焊常見的焊接缺陷。近年來，攪拌摩擦焊以優質、高效、無污染等優點被廣泛運用于鋁合金的焊接。

FSW接頭的疲勞性能是工程界普遍關注的熱點問題，深入研究各種工藝參數、焊接缺陷、組織結構及接頭形式等因素對其疲勞強度及壽命的影響規律將為在工程構件制造領域中建立合理有效的疲勞評定規范提供重要依據[2]。國外對FSW接頭疲勞性能已進行了研究，英國普利茅斯大學的James就焊接速度和“洋蔥環”弱連接缺陷對疲勞性能的影響進行了研究[3]；德國的Lomolino等人對一部分現有攪拌摩擦焊接頭的疲勞數據進行了概率統計分析，得出了一組參考疲勞曲線[4]。而目前國內對FSW接頭疲勞性能的研究還處于初級階段，楊新岐等人對鋁合金攪拌摩擦焊和MIG焊接頭的疲勞性能進行了對比分析，得出FSW接頭疲勞性能明顯優于MIG焊接頭[5]。在此采用S-N曲線、微觀組織分析等方法，探究了A6N01S-T5鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭的組織特征與疲勞性能。

1　試驗材料和方法

試驗材料采用A6N01S-T5鋁合金型材，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。試板尺寸42 mm×150 mm×350 mm，接頭形式為對接接頭，采用雙面FSW方法進行焊接。先用軸肩直徑為11 mm的攪拌頭對正面和背面焊縫進行預焊，再用軸肩直徑為30 mm的攪拌頭對正面和背面焊縫進行焊接。預焊時采用攪拌針長4.5 mm，主軸轉速1 450 r/min，壓力550 N，焊接速度450 mm/min，攪拌頭傾斜角度2.5°；焊接時采用攪拌針長24 mm，主軸轉速400r/min，壓力1 800 N，焊接速度110 mm/min，攪拌頭傾斜角度2.5°，焊后打磨掉焊縫飛邊直至平整。

表1　A6N01-T5鋁合金主要成分％

表2　A6N01-T5擠壓型材力學性能

沿焊縫橫截面將接頭分為上、中、下三層加工成疲勞試樣（見圖1），采用QBG-100高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗，試驗溫度為20℃～25℃，載荷種類為正弦波軸向拉伸載荷，應力比為0，頻率波動范圍85～140 Hz，加載的最低應力級（89 MPa）做4根試樣，其余應力級只做一根試樣。通過疲勞試驗確定名義應力范圍S-N曲線和在107次循環時不發生疲勞斷裂的名義應力范圍Δσ為疲勞特征強度，作為評定焊接接頭疲勞性能的試驗依據，采用SEM（掃描電鏡）觀察斷口形貌，采用金相顯微鏡觀察接頭顯微組織，用HVS-30型數顯維氏硬度計測量焊縫橫截面水平中心線的硬度分布。

圖1　FSW接頭疲勞試樣尺寸

2　試驗結果與分析

2.1疲勞性能分析

依據國際焊接學會(IIW)推薦的焊接接頭疲勞強度評定規范進行疲勞試驗數據統計處理，焊接接頭疲勞載荷的名義應力范圍Δσ和疲勞壽命N關系[6-7]可表示為

式中C為材料常數；m為S-N曲線斜率。

利用最小二乘法擬合S-N曲線，可表示為

式中S為所加載荷的名義應力范圍Δσ；N為疲勞壽命；B、A為擬合常數，與斜率m的關系為

FSW接頭S-N曲線擬合結果如圖2所示，利用S-N曲線可得出擬合常數A、B，根據式（2）、式（3）可計算材料常數C、斜率m以及循環次數為107次的疲勞極限Sf。上述擬合公式可簡化為回歸方程

圖2　FSW接頭S-N曲線擬合結果

該回歸方程的相關系數r計算式為

根據上述公式對FSW試樣疲勞極限進行統計分析，結果如表3所示。從表3中可以看出，接頭上、中、下三層試樣疲勞性能差別不大，由于每組SN曲線均有11個數據點，查閱相關手冊可知[8]，每條S-N曲線的相關系數r均大于顯著性水平α= 0.05時的相關系數起碼值，其中下層試樣的顯著性水平可達到α=0.01。

表3　FSW試樣疲勞極限統計分析結果

圖3　FSW接頭疲勞斷口形貌

攪拌摩擦焊接頭斷口形貌如圖3所示，該接頭發生斷裂時的循環周次為402 070次，斷裂位置在距離焊縫中心約10 mm的HAZ（見圖3a）。該斷口疲勞源區（見圖3b）特征比較明顯，為光滑、細潔的扇形小區域，可見放射紋向裂紋擴展方向發散，收斂于材料表面。在疲勞源區發現有翹曲和突出的異質質點存在，對其進行EDS能譜分析，判斷該異質點可能為氧化物夾雜，EDS分析結果如表4所示。材料表面或次表面缺陷都起著尖缺口的作用，可造成應力集中，促使疲勞裂紋萌生。由于該接頭的疲勞試驗是在較高的應力級（160 MPa）下進行，且疲勞源又出現在薄弱的熱影響區，因此疲勞裂紋快速擴展后發生斷裂，穩定擴展區較小（見圖3c），疲勞輝紋不是特別明顯，而瞬斷區相對較寬，為大小不一的韌窩形貌（見圖3d）。

表4　疲勞源異質點EDS分析結果％

2.2微觀組織分析

根據鋁合金攪拌摩擦焊的特點及微觀組織形貌，將其焊接接頭大體分成四個區，母材區、熱影響區（HAZ）、熱機械影響區（TMAZ）和焊核區，圖4為FSW接頭各區的微觀組織。

母材區的組織如圖4a所示，A6N01-T5鋁合金主要成分為Al、Mg、Si，其中Mg2Si是主要強化相。在攪拌摩擦焊接過程中，焊核區（見圖4b）受到攪拌頭的直接作用，在摩擦熱的作用下達到塑性狀態，由于該區溫度較高，塑性金屬發生了動態再結晶和沉淀強化相的再分配[5]，原始母材晶粒完全消失，取而代之的是細小的等軸晶粒結構。前進側的TMAZ與焊核區的分界線比較明顯（見圖4d），而返回側的分界線則相對模糊（見圖4c），焊接過程中攪拌頭兩側金屬的塑性流動狀態的差別是形成這種現象的主要原因，攪拌頭與周圍金屬的相互作用決定了焊縫中熱量的大小和塑性金屬的遷移行為[9-10]。HAZ（見圖4e）位于TMAZ和母材之間，該區只受到攪拌頭的熱循環作用而未發生機械攪拌，組織形貌與母材相似，略有粗化現象。

圖4　FSW接頭微觀組織

2.3顯微硬度分析

FSW接頭顯微硬度分布曲線如圖5所示，顯微硬度可以有效反應接頭的組織性能。由圖5可知，三條曲線均大致呈W型，即兩側硬度最高，約為108HV，其次是焊核區，約為75 HV，距離焊縫中心約10 mm的HAZ存在一個最低硬度值，為55～60 HV。

焊接過程中的熱導致焊核區的強化相部分被溶解，致使其硬度低于母材，而焊核區金屬同時也發生了動態再結晶，形成細小等軸晶，并且強化相分布均勻，因此該區顯微硬度高于HAZ。而HAZ只受到焊接熱循環作用，彌散強化相在該區聚集長大，同時該區金屬發生了過時效現象[11]，使得硬度下降最為顯著，

圖5　FSW接頭顯微硬度分布

疲勞裂紋萌生是局部剪切應力的結果[4]，在最大切應力作用下，材料表層的位錯移動會形成細小的滑移帶，在疲勞載荷的反復作用下，在相鄰的滑移面上將引起反向滑移，疲勞滑移帶就會在表面上形成溝槽和隆脊，最終成為萌生疲勞裂紋的區域。而熱機影響區硬度最低的軟化區抵抗剪應力的能力最弱，很容易在該處形成溝槽和隆脊而引發疲勞源，這與接頭斷裂位置發生在HAZ軟化區相符合。

3　結論

（1）42 mm厚A6N01S-T5鋁合金型材FSW接頭上、中、下三層的疲勞極限差別不大，分別為103.9 MPa、101.4 MPa、102.2 MPa；疲勞斷裂的位置大多在HAZ，疲勞源由氧化物夾雜造成的尖角效應和應力集中誘發形成。

（2）FSW接頭焊核區微觀組織為細小的等軸晶，HAZ微觀組織形貌與母材相近，略有粗化現象；前進側的TMAZ與焊核區的分界線比較明顯，返回側的分界線相對模糊。

（3）FSW接頭顯微硬度分布呈W型，兩側母材硬度約為108 HV，焊核區硬度約為75 HV，距離焊縫中心約10 mm的HAZ存在一個最低硬度值點，為55～60 HV，該處正是FSW接頭疲勞斷裂的位置。

[1]牛勇.鋁合金攪拌摩擦焊熱影響區疲勞行為研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.

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[4]Lomolino S，Tovo R，Santos dos J.International Journal of Fatigue，2005，27（3）：305.

[5]楊新岐.鋁合金攪拌摩擦與MIG焊接接頭疲勞性能對比試驗[J].焊接學報，2005，27（4）：1-4.

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Fatigue property of bi-friction stirring welding joints of A6N01S-T5 aluminum alloy

MENG Xiangrui1，HE Yongpan2，LIU Jian1，FANG Xifeng1，CHENG Yongming1，ZHANG Fengdong1，LI Yuanxing2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611031，China）

Bi-friction stirring welding of 42 mm A6N01S-T5 aluminum alloy section is implemented.FSW joints are divided into upper，middle and lower layers along weld junction and the fatigue property of the joints is researched by fatigue test.The reasons of fatigue fracture of the joints are analyzed by microstructure observation，micro-hardness testing and fracture analysis.The result shows that fatigue fracture is occurred mostly in the heat-affected zone.The fatigue limit of FSW joints is 103.9 MPa，101.4 MPa and 102.2 MPa.The microstructure of nugget zone is equiaxed grain and the heat-affected zone is slightly coarsening phenomenon.The micro-hardness of joints is W-shaped and the hardness of base material is about 108 HV.And nugget zone is about 75 HV.The minimum hardness value is occurred in softening zone which is 10 mm away from the weld center and is about 55～60 HV.The stress concentration caused by oxide inclusions induces the fatigue source.

A6N01S-T5 aluminum alloy；bi-friction stirring welding；fatigue property；microstructure

TG457.14

A

1001－2303（2016）03－0066-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.14

2015－06－09；

2015－07－06

孟祥瑞（1982—），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，主要從事鋁合金焊接工藝的研究工作。