殘余應(yīng)力對(duì)攪拌摩擦焊接頭裂紋擴(kuò)展速率的影響

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065）

0 前言

在過(guò)去的10年中，減重和節(jié)省成本逐漸成為航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型理念。其中，用焊接技術(shù)加工的整體結(jié)構(gòu)是最優(yōu)選擇。攪拌摩擦焊作為一種簡(jiǎn)單成熟的新型連接技術(shù)，最多減重可達(dá)到15%，節(jié)省成本20%[1-2]。它能將原本難以焊接的鋁合金連接在一起，并獲得優(yōu)良的靜力、疲勞性能。此外，攪拌摩擦焊接頭具有優(yōu)良的可修復(fù)性，在維修中有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，本文重點(diǎn)研究攪拌摩擦焊接接頭的裂紋擴(kuò)展性能，以確定其維修間隔。

圖1 鋁合金攪拌摩擦焊接頭區(qū)域劃分Fig.1 Aluminum alloy friction stir welding division

攪拌摩擦焊接頭不同于普通板材，其為非均質(zhì)組織，如圖1所示，在焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力較大。已有研究發(fā)現(xiàn)，焊接參數(shù)不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷，如未焊合、隧道、吻接對(duì)靜力、疲勞性能的影響較大。查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力對(duì)攪拌摩擦焊接接頭的裂紋擴(kuò)展性能起主導(dǎo)作用[3-13]。選取優(yōu)化后的焊接參數(shù)（200 mm/min，800 r/min）進(jìn)行攪拌摩擦焊接，并用小孔法測(cè)取不同部位的殘余應(yīng)力，研究其對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。最后對(duì)攪拌摩擦焊接板進(jìn)行輥壓處理，消除殘余應(yīng)力，對(duì)比有無(wú)殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

1 試驗(yàn)思路

由于攪拌摩擦焊接頭的非均質(zhì)性，各個(gè)區(qū)域的殘余應(yīng)力不同，因此不同區(qū)域的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)受到的影響不同。焊后對(duì)部分試驗(yàn)件進(jìn)行輥壓處理消除殘余應(yīng)力，對(duì)比有無(wú)殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響。在靜力、疲勞試驗(yàn)中，試驗(yàn)斷口容易出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱影響區(qū)處，因此在平行于焊縫的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中，分別選取焊核區(qū)中心（見(jiàn)圖2）、前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)邊緣（見(jiàn)圖3）、后退側(cè)熱影響區(qū)（見(jiàn)圖4）邊緣預(yù)制裂紋，進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。選用MT型試驗(yàn)件，如圖5所示。試驗(yàn)前用小孔法測(cè)量攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力，并在試驗(yàn)完全結(jié)束后分析殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響。

輥壓處理采用滾輪式輥壓，滾輪直徑170 mm，寬度11 mm，單向輥壓，速度1 000 mm/min。裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)使用Instron 8801試驗(yàn)機(jī)，其相對(duì)動(dòng)態(tài)誤差W=1.692%，相對(duì)靜態(tài)誤差B=0.756%；試驗(yàn)設(shè)備經(jīng)校準(zhǔn)/檢定合格并在有效期內(nèi)。試驗(yàn)機(jī)如圖6所示。母材裂紋預(yù)制應(yīng)力65MPa、頻率15Hz，裂紋擴(kuò)展應(yīng)力55MPa、頻率10 Hz。焊接接頭焊態(tài)和輥壓態(tài)不同部位裂紋預(yù)制應(yīng)力60MPa、頻率10Hz，裂紋擴(kuò)展應(yīng)力50MPa、頻率5Hz。應(yīng)力比均為0.1。攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)件設(shè)計(jì)如表1所示。

2 殘余應(yīng)力測(cè)試

圖2 焊核區(qū)中心預(yù)制裂紋Fig.2 Pre-crack in the center of weld nugge

圖3 前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)邊緣預(yù)制裂紋Fig.3 Pre-crack in edge of forward side of heat-affected zone

使用秦皇島北戴河電子儀器廠的CM-1L-32型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量殘余應(yīng)力；選用陜西漢中中航電測(cè)儀器股份有限公司的BE120-2CA-K應(yīng)變片。測(cè)量時(shí)孔深2.8 mm，孔徑2 mm。系數(shù)A=-0.57，B=-1.08。殘余應(yīng)力測(cè)試位置如圖7所示。殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

用母材試樣M-1-2舉例，裂紋擴(kuò)展a-N曲線如圖10所示。

圖4 后退側(cè)熱影響區(qū)邊緣預(yù)制裂紋Fig.4 Pre-crack in edge of back side of heat-affected zone

圖5 裂紋擴(kuò)展MT型試驗(yàn)件Fig.5 MT-type test pieces of crack propagation test

圖6 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)示意Fig.6 Schematic diagram of the crack propagation test

圖7 殘余應(yīng)力測(cè)試位置示意Fig.7 Schematic diagram of residual stress measurement location

表1 攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)件設(shè)計(jì)Table 1 Test pieces design for crack propagation test in distinct regions of FSW joint

圖8 攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力分布Fig.8 Residual stress distribution of friction stir welded joint

圖9 焊后輥壓處理殘余應(yīng)力應(yīng)力分布Fig.9 Residual stress distribution of friction stir welded joint after rolling process

圖10 M-1-2試樣a-N曲線Fig.10 a-N curve of base metal sample M-1-2

對(duì)于MT試樣：

式中ΔP=Pmax-Pmin（R≥0）；ΔP=Pmax（R＜0）；α=2a/W。

以M-1-2試驗(yàn)件為例，作出da/dN-ΔK曲線及l(fā)g（da/dN）-lgΔK 曲線分別如圖 11、圖 12所示。

圖11 M-1-2試驗(yàn)件裂紋擴(kuò)展da/dN-ΔK曲線Fig.11 da/dN-ΔK curve of crack propagation in test pieces M-1-2

圖12 M-1-2試驗(yàn)件裂紋擴(kuò)展lg（da/dN）-lgΔK曲線Fig.12 lg（da/dN）-lgΔK curve of crack propagation in test pieces M-1-2

焊態(tài)、輥壓態(tài)攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比如圖13～圖15所示。由圖可知：（1）輥壓后攪拌摩擦焊接頭裂紋擴(kuò)展速率明顯低于焊態(tài)接頭裂紋擴(kuò)展速率；（2）前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率經(jīng)過(guò)輥壓后下降最為明顯；（3）隨著裂紋的增長(zhǎng)，輥壓后攪拌摩擦焊接頭裂紋擴(kuò)展速率接近焊態(tài)接頭裂紋擴(kuò)展速率。

得出結(jié)論如下：（1）輥壓消除殘余應(yīng)力能明顯降低裂紋擴(kuò)展速率；（2）前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)殘余應(yīng)力最高，輥壓消除殘余應(yīng)力裂紋擴(kuò)展速率下降最多；（3）在裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)過(guò)程中，隨著裂紋的擴(kuò)展，殘余應(yīng)力逐漸釋放，焊態(tài)裂紋擴(kuò)展速率接近輥壓態(tài)。

焊態(tài)不同焊接區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比如圖16所示，輥壓態(tài)同焊接區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比如圖17所示。由圖可知：（1）焊態(tài)焊核區(qū)裂紋擴(kuò)展速率最低，后退側(cè)熱影響區(qū)次之，前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率最高；（2）輥壓后各區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率接近一致。

圖13 焊態(tài)-輥壓態(tài)焊核區(qū)中心裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比Fig.13 Crack propagation rate comparison between welded-roll welded nugget centres

圖14 焊態(tài)-輥壓態(tài)前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比Fig.14 Crack propagation rate comparison between welded-roll welded forward sides of HAZ

圖15 焊態(tài)-輥壓態(tài)后退側(cè)熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比Fig.15 Crack propagation rate comparison between welded-roll welded back sides of HAZ

圖16 攪拌摩擦焊接頭焊態(tài)不同區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率Fig.16 Crack propagation rate in distinct regions of welded FSW joints

圖17 攪拌摩擦焊接頭輥壓態(tài)不同區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率Fig.17 Crack propagation rate in distinct regions of welded FSW joints after rolling process

得出結(jié)論如下：（1）焊態(tài)接頭各區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率與殘余應(yīng)力成反比例，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力為拉應(yīng)力，對(duì)裂紋張開(kāi)、擴(kuò)展起促進(jìn)作用；（2）輥壓后消除殘余應(yīng)力，各區(qū)域殘余應(yīng)力趨于一致，裂紋擴(kuò)展速率也趨于一致。

母材、焊態(tài)、輥壓態(tài)裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比如圖18所示。以前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)為例，焊態(tài)裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)高于輥壓后及母材，輥壓后接頭裂紋擴(kuò)展速率接近母材。這說(shuō)明余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率起決定作用。

裂紋垂直于焊縫時(shí)，焊接及焊接后輥壓裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比分析如圖19所示。當(dāng)裂紋垂直于焊縫時(shí)，裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)比較凌亂，裂紋兩側(cè)裂紋擴(kuò)展速率不同，這是由于兩側(cè)的殘余應(yīng)力不同。但是輥壓后接頭裂紋擴(kuò)展速率明顯低于焊態(tài)。在裂紋垂直于焊縫時(shí)，殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率也有重要的影響。

4 結(jié)論

（1）前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)殘余應(yīng)力最高，輥壓消除殘余應(yīng)力裂紋擴(kuò)展速率下降最多。

圖18 母材、焊態(tài)、輥壓態(tài)裂紋擴(kuò)展速率Fig.18 Crack propagation rate of base metal，welded and roll welded specimens

圖19 焊態(tài)、輥壓態(tài)垂直于焊縫裂紋擴(kuò)展速率Fig.19 Crack propagation rate of welded and roll welded joint when cracks are perpendicular to the welding direction

（2）在裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)過(guò)程中，隨著裂紋的增長(zhǎng)，殘余應(yīng)力逐漸釋放，焊態(tài)裂紋擴(kuò)展速率接近輥壓態(tài)。

（3）焊態(tài)接頭各區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率與殘余應(yīng)力成反比例，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力為拉應(yīng)力，對(duì)裂紋張開(kāi)、擴(kuò)展起促進(jìn)作用。

（4）輥壓后消除殘余應(yīng)力，各區(qū)域殘余應(yīng)力趨于一致，裂紋擴(kuò)展速率也趨于一致。

（5）以前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)為例，焊態(tài)裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)高于輥壓后及母材，輥壓后接頭裂紋擴(kuò)展速率接近母材，說(shuō)明殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率起決定作用。

（6）當(dāng)裂紋垂直于焊縫時(shí)，裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)比較凌亂，裂紋兩側(cè)裂紋擴(kuò)展速率不同，這是由于兩側(cè)具有不同的殘余應(yīng)力。但是輥壓后接頭裂紋擴(kuò)展速率明顯低于焊態(tài)接頭裂紋擴(kuò)展速率。在裂紋垂直于焊縫時(shí)，殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率也有重要的影響。