6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能及斷口特征研究

郄新哲， 張桂源， 宮文彪*， 陶福君, 王佳慶

(1.長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012;2.吉林省泰浩軌道客車裝備有限公司, 吉林 長春 130507)

6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能及斷口特征研究

郄新哲1， 張桂源1， 宮文彪1*， 陶福君2, 王佳慶2

(1.長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012;2.吉林省泰浩軌道客車裝備有限公司, 吉林 長春 130507)

對84 mm軌道客車用6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能以及斷口特征進行試驗研究。結果表明，攪拌摩擦焊接頭疲勞循環次數隨施加載荷減小而增加，當N=107時,疲勞極限值為110 MPa，且疲勞斷裂主要發生在前進側熱機械影響區。在預制缺口、相同載荷應力條件下，焊核區疲勞循環次數達7.4萬次，斷口表現為沿晶斷裂，裂紋由疲勞源向四周擴展，晶粒細化提高了焊核區疲勞壽命；而前進側熱機械影響區疲勞循環次數最少為2.5萬次，裂紋沿晶界向焊核區方向擴展，擴展方式為沿晶和穿晶混合斷裂，晶粒發生彎曲變形以及第二相粒子剝離是接頭ATMAZ疲勞性能下降的主要原因。

攪拌摩擦焊； 6082-T6鋁合金； 疲勞性能； 疲勞斷口

0 引 言

Al-Mg-Si系合金屬于可熱處理強化型合金，具有中等強度、低密度、較好的耐蝕性以及良好的焊接性。6082-T6鋁合金是軌道客車鋁合金車體部件大量應用的材料[1-3]，鋁合金的連接一直是軌道客車制造業關鍵的技術問題。6082-T6鋁合金采用熔化焊，易產生氣孔、裂紋等缺陷，熱影響區受熱后的軟化問題大大降低了接頭性能。攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding， FSW)是通過攪拌頭與被焊工件之間的摩擦，使工件達到塑性狀態實現連接的一種固相焊接方法，在鋁合金焊接方面FSW占有獨特優勢。

疲勞斷裂是金屬構件失效的一種主要形式，據統計疲勞失效約占零件失效總數的80%以上，疲勞斷裂具有隱蔽性，在工件發生斷裂前沒有明顯的塑性變形，危害較大。因此，在工業制造、軌道客車、航空航天領域中，焊接接頭疲勞斷裂性能成為評價接頭質量的重要指標之一[4]。國內外對鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞問題做了大量研究。如瑞典哥本哈根皇家技術研究所的M.Ericsson[5]對6082-T6攪拌摩擦焊疲勞性能做了研究，發現攪拌摩擦焊疲勞性能優于MIG和TIG焊接接頭。Moreira[6]等將6082-T6鋁合金和6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊疲勞裂紋擴展與母材相比，結果表明，攪拌摩擦焊裂紋擴展速率低于母材。徐韋鋒[7]對20 mm厚度的2219-T62鋁合金FSW接頭進行了疲勞試驗，研究表明,應變幅小于0.2%時，疲勞循環應力與塑性變形幅呈水平分布，裂紋產生于試件表面且具有單一性。當應變幅為0.4%、0.6%和0.8%時，應力幅升高，而塑性應變幅降低，裂紋萌生具有多源性；陳東高[8]研究了30 mm厚攪拌摩擦焊接頭疲勞性能，結果表明，由表層至底部疲勞性能先減后增，沿厚度方向疲勞性能具有不均勻性。

文中試驗研究了84 mm厚度的6082-T6鋁合金接頭的微觀組織與性能，并比較研究了焊核區、熱機械影響區、熱影響區在相同應力狀態下，裂紋擴展路徑及斷口特征，為軌道客車大厚板部件的FSW生產提供依據。

1 試驗材料及方法

試驗材料為84 mm厚度的6082-T4擠壓型材，規格為2 160 mm×327 mm×84 mm。其化學成分見表1。

表1 6082-T4鋁合金化學成分 %

焊接試驗在型號為FSW-LM-BH50定龍門式攪拌摩擦焊機上進行，焊接方式為雙面對接。焊前對焊縫兩側100 mm范圍內的母材表面打磨去除氧化膜，然后固定在剛性工作臺上。焊接參數：攪拌頭旋轉速度n=450 r/min,焊接速度v=90 mm/min。焊后進行180 ℃×5 h的T6處理，然后采用線切割制取疲勞試樣。使用QBG-200型200 kN全數字電磁共振高頻疲勞試驗機進行拉-拉疲勞試驗，應力比為R=0.1，頻率為104.1～114.6 Hz，載荷波形為正弦波，疲勞循環載荷應力范圍Δσ(110～140 MPa)，測定不同應力載荷下的疲勞壽命，并采用最小二乘法將疲勞試驗數據進行擬合，繪制S-N曲線。其次，在焊核區(WNZ)、熱機械影響區(TMAZ)以及熱影響區(HAZ)制取U型缺口，在相同循環載荷Δσ=103 MPa條件下，測定試樣的循環次數并觀察裂紋擴展路徑。采用JEOL-5600型掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，研究疲勞斷裂特征，采用Nikon EPIPHOT300型光學顯微鏡觀察接頭顯微組織形貌。

2 實驗結果及分析

2.1 接頭組織

攪拌摩擦焊接頭一般分為WNZ、TMAZ和HAZ。WNZ以及TMAZ光學顯微鏡照片如圖1所示。

(a) WNZ (b) ATMAZ (c) RTMAZ

WNZ(圖1(a))在軸肩的劇烈摩擦作用下，產生大量的摩擦熱且經歷了攪拌針的強烈攪拌，此區同時經歷了動態回復和再結晶，由原來的板條狀組織變成均勻細小的等軸晶組織。一些研究表明[9-10]，在WNZ晶粒內部位錯密度較少,但存在著較高密度的亞晶界。TWAZ在焊接過程中經歷了熱循環和機械力的雙重作用，由于該區域距離攪拌針較遠，所受攪拌力遠小于WNZ，變形應力不足以支持發生再結晶過程，因此,該區域晶粒只是受攪拌針機械力的作用發生了彎曲變形。

此外，較前進側熱機械影響區(ATMAZ)與WNZ具有明顯的分界線(如圖1(b))，而返回側熱機械影響區(RTMAZ)不易觀察到(如圖1(c))。前進側塑性金屬在攪拌針旋轉帶動作用下向前移動，遇到前方冷金屬的擠壓作用，進而填充后退側空腔，后退側晶粒與前進側相比，晶粒畸變要小的多，塑性金屬流動方式的不同，是造成差異的主要原因。

2.2 FSW接頭疲勞壽命

通過對疲勞試驗數據進行二乘法擬合后獲得84 mm厚6082-T6鋁合金FSW焊縫疲勞S-N曲線如圖2所示。

圖2 FSW疲勞試樣S-N曲線

由圖2可見，隨著應力的下降，接頭疲勞循環次數明顯增加，在應力幅σ=σmax-σmin=110 MPa時，試樣的疲勞循環次數N=107，且連續5個試樣在此應力條件下均未發生斷裂，因此認為接頭的疲勞極限值為110 MPa。S-N曲線的斜率k范圍在3.9～5.37之間，k值越小，曲線越陡峭。

疲勞斷裂試樣如圖3所示。

圖3 疲勞斷裂位置

觀察發現，疲勞斷裂主要發生在ATMAZ。在應力為120 MPa時，疲勞裂紋起裂于試樣邊緣，在循環載荷的作用下，形成一條條疲勞輝紋。隨著裂紋向外擴散，試件所承載面積逐漸減小，而所受載荷逐漸增大,從而導致疲勞輝紋間距增大，當剩余截面積不足以支持下一次最大應力循環而瞬間斷裂。在115 MPa以及130 MPa應力作用下，疲勞裂紋產生于試樣內部，可能是由于焊縫內部第二相粒子脫落引起或存在缺陷[11]。

2.3 疲勞斷口特征

為了觀察攪拌摩擦焊接頭不同區域疲勞壽命及斷口特征，在WNZ、TMAZ、HAZ預制U型缺口，實驗結果見表2。

表2 接頭各區域預制缺口疲勞試驗結果

在相同應力條件下WNZ疲勞循環次數最多，達7.4×105次，ATMAZ最低，約為2.5×104次。 RTMAZ疲勞疲勞壽命為7.9×104次，是ATMAZ的3倍，前進側與后退側具有明顯差異，這和3個區域的微觀組織相關聯。WNZ為細小的等軸結晶，前進側和后退側存在明顯的分界或晶粒粗化。按照Hall-Petch理論σs=σ0+kd-1/2，細小的晶粒可以提高材料的強度，阻礙裂紋的擴展或形成需要更大的能量。為分析ATMAZ疲勞壽命較低產生的根本原因，采用SEM對疲勞斷口進行分析。

WNZ以及TMAZ的SEM照片如圖4所示。

圖4 SEM疲勞斷口形貌

通過圖4(a)、(b)可以發現，WNZ斷口顆粒均勻細小，由小平臺構成，裂紋擴展步伐較小，由疲勞源向外擴散。裂紋在擴展過程中受到晶界阻礙消耗的能量較多，形成“冰糖”狀斷口，擴展方式為沿晶斷裂。ATMAZ抵抗疲勞應力最弱，裂紋沿晶粒朝WNZ一側擴展(圖(c))。在圖4(d)中還可以觀察到ATMAZ在多次交變載荷作用過程中留下的疲勞輝紋。裂紋穿過晶粒內部，造成的滑移面分離，形成不同高度的相互平行的解理面，并且可以觀察到第二相粒子剝離時留下的韌窩。因此,判斷ATMAZ裂紋擴展為沿晶和穿晶混合斷裂。而后退側RTMAZ裂紋則垂直向前擴展(圖4(e))，但在疲勞循環應力作用下，形成片層狀河流花樣，斷裂方式為準解理斷裂(圖4(f))。

疲勞裂紋擴展的根本原因主要是由于裂紋尖端有位錯發射，由于位錯容易在晶界處運動受阻造成位錯塞積,從而阻礙了位錯的滑移，對組織起到細晶強化的作用。WNZ經過充分的動態回復和再結晶形成細小的等軸晶粒，晶界位錯堆積有效地提高了WNZ抗拉強度以及疲勞壽命。RTMAZ與ATMAZ相比，晶粒畸變要平緩。在熱和機械力的雙重作用下，晶粒發生彎曲變形，且存在第二相粒子剝離而形成的韌窩，這正是接頭疲勞性能下降的主要原因。

3 結 語

1)焊核區組織為細小的等軸晶，熱機械影響區在熱和力的雙重作用下晶粒發生彎曲。

2)6082鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞循環次數隨所受載荷減小而增加，當N=107時,FSW試樣疲勞強度σ=110 MPa，疲勞斷裂主要發生在ATMAZ。

3)FSW焊核區疲勞循環次數最高，裂紋向四周擴散，擴展方式為沿晶斷裂；前進側熱機械影響區疲勞循環次數最少，裂紋沿晶粒向焊核區擴展，擴展方式為沿晶和穿晶混合斷裂，晶粒發生彎曲變形以及第二相粒子剝離是接頭ATMAZ疲勞性能下降的主要原因。

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Studyonfatigueperformanceandfracturecharacteristicsof6082-T6aluminumalloybyfrictionstirwelding

QIE Xinzhe1, ZHANG Guiyuan1, GONG Wenbiao1*,TAO Fujun2, WANG Jiaqing2

(1.School of Materials Science and Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.Jilin Province Taihao Railway Vehicles Facilities Co., Ltd., Changchun 130507， China)

The fatigue performance and fracture characteristics of 84 mm thickness 6082-T6 Al alloy used in railway vehicles were studied that produced by friction stir welding. The results indicate that the number of fatigue cycles increases with the decrease of the load. ForN=107, the stress value is 100 MPa, and the fatigue fracture mainly occurs in ATMAZ. With prefabricated gap and the same load stress,the fatigue cycle of the WNZ is 740 thousand times. The fracture is presented as inter-granular, and the crack extends outward from the fatigue source. The refined grain increases the fatigue life of the WNZ. The fatigue cycle of the ATMAZ is over 25 thousand times, and the crack is along the grainboundariesto WNZ. The fracturing way can be pictured as inter-granular and trans-granular combined fracture. Grain bending deformation and second phase particle detachment are the main reasons of ATMAZ joint fatigue performance deterioration.

friction stir welding; 6082-T6 aluminum alloy; fatigue performance; fatigue fracture.

2017-07-11

長春市科技創新“雙十工程”基金資助項目(17SS024)

郄新哲(1990-)，男，漢族，河北石家莊人，長春工業大學碩士研究生，主要從事鋁合金攪拌摩擦焊接方向研究,E-mail:qxzhe0727@163.com. *通訊作者：宮文彪(1966-)，男，漢族，吉林梅河口人，長春工業大學教授，博士生導師，主要從事熱噴涂和材料連接方向研究,E-mail:gwbiao@sina.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.16

TG 456.9

A

1674-1374(2017)05-0496-05