2024-T351鋁合金攪拌摩擦搭接焊接頭疲勞性能與壽命預測

雷星海 王瑞杰 米 鵬

（昆明理工大學機電工程學院，昆明 650500）

文 摘 通過實驗觀察2024-T351鋁合金攪拌摩擦搭接焊接頭焊縫附近區域的焊縫橫截面形貌及金相組織。觀察表明攪拌摩擦搭接焊接頭前進側與后退側存在形狀不對稱的鉤狀缺陷。將攪拌摩擦搭接焊接頭在MTS材料實驗機上進行恒幅疲勞加載，得到名義應力幅S-N曲線。根據實驗結果建立搭接接頭的彈塑性有限元模型，利用SWT疲勞損傷公式和應力集中區域循環應力應變有限元分析結果數據，預測搭接接頭疲勞壽命，并將壽命預測結果與實驗結果進行對比。結果表明：在低周疲勞壽命范圍內，采用SWT疲勞損傷公式對攪拌摩擦搭接焊接頭的預測結果與實驗結果接近，誤差均在2個因子內，但對高周疲勞壽命的預測結果存在較大誤差。分析表明，搭接接頭的應力集中程度比有效厚度對疲勞壽命的影響更大。

0 引言

由于鋁合金熔點低，導熱系數、比熱容、線脹系數較大，在采用傳統熔焊連接工藝的過程中容易產生變形、裂紋、孔洞等焊接缺陷[1]。攪拌摩擦焊（FSW）技術對鋁合金連接上的運用很好地解決了這些焊接缺陷。FSW過去主要用于對接連接，這項技術的發展使其成為一種較為靈活的焊接工藝，生產出各種基于對接和搭接（FSLW）的幾何形狀。隨著FSW焊接工藝的不斷研究與發展，FSW焊接結構的疲勞性能的評估也越來越受到重視。對于常規焊接結構疲勞評估，EUROCODE 9和IIW被作為重要的指導方針[2-3]，但是這些指導方針只是針對傳統焊接方法的焊接結構，而不涉及采用FSW焊接結構。

當前對FSLW接頭的強度評估還沒有統一標準，大多數學者根據自己的實驗結果去分析FSLW接頭中存在的問題。PAPADOPOULOS等人[4]認為FSLW接頭的拉伸強度隨著焊縫數目增多而提高，但是拉伸強度并不一定導致疲勞性能的提高，疲勞性能的高低可能由焊接缺陷主導。目前研究認為FSLW連接的焊接缺陷主要有兩種：一種是孔洞缺陷，該種缺陷可以通過優化焊接參數來解決[5]；另一種是鉤狀缺陷（Hook defect）或冷搭缺陷（Cold lap），目前還沒有方法完全消除。鉤狀缺陷的存在影響了搭接接頭的有效厚度。岳玉梅等人[6]通過使用半螺紋攪拌頭在焊接中獲得較大的有效板材厚度；柯黎明等人[7]分別用左右螺紋攪拌頭交替進行雙道搭接焊連接，獲得了較大的有效板材厚度，且增大了焊縫搭接寬度，接頭的受載能力較單道焊接頭有了很大的提高。ERICSSON等人[8]通過研究6082-T6鋁合金FSLW接頭的疲勞性能，認為接頭搭接面在疲勞加載下產生一個彎曲和剪切的組合載荷。WANG等人[9]采用局部應力和結構應力法對鎂合金FSLW接頭進行了疲勞壽命預測，認為結構應力法可以給出較合理的計算壽命應力關系，但預測結果并不理想。FSLW接頭的疲勞性能比較復雜，一方面搭接接頭受到拉伸載荷時產生了剪切和彎曲的組合，施加到搭接接頭末端的力導致搭接區域的偏心載荷，使得接頭旋轉而產生彎曲變形；另一方面搭接界面的遷移導致“鉤狀缺陷”，引起焊縫兩側不對稱的應力集中現象，以及焊接區域材料的性能變化，使得搭接接頭的受力更加復雜。

本文擬對2024-T351鋁合金FSLW接頭區域進行顯微組織觀察，對試件進行疲勞加載，分析接頭處在循環加載下的應力應變，進而采用局部應力應變法預測其壽命。

1 實驗

材料為兩塊相同的2 mm厚2024-T351鋁合金板材，化學成分如表1所示。焊接用普通圓頂攪拌頭，攪拌頭幾何參數和焊接工藝參數見表2，焊縫位于搭接寬度30 mm的中部，焊后試樣幾何形狀和尺寸如圖1所示。

將接頭搭接區域沿垂直于焊縫方向的橫截面進行切割，制備成金相試樣，使用凱勒試劑腐蝕后在光學顯微鏡下進行觀察。

FSLW接頭的疲勞加載試驗在MTS-810材料試驗機上進行，試件兩端墊等厚度的墊塊，以減小焊接連接厚度對實驗的影響。疲勞實驗條件為室溫下的空氣中，恒幅加載，最大加載載荷為1.2～6.0 kN，加載頻率為10 Hz，載荷比R=0.1。

表2 攪拌頭幾何參數和焊接參數Tab.2 Geometry and welding parameters of mixing head

圖1 試樣形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of specimens

2 結果與分析

2.1 搭接接頭焊縫橫截面組織

經過拋光腐蝕后，焊縫區截面如圖2所示，從宏觀圖2（a）上看，接頭兩側搭接界面材料遷移線不對稱，前進側沒有明顯的向上或向下界面遷移現象，而在后退側出現了一段先向上再向下的圓弧狀界面遷移線（即Hook鉤狀缺陷），遷移線一直延伸到焊核區。焊接過程中由于前進側塑性金屬在攪拌頭的旋轉作用下的流動方向與母材運動方向相反，母材金屬與焊縫金屬出現較大的變形差異，使得在前進側焊縫區與母材的邊界較為清晰，而在后退側塑性金屬在攪拌頭旋轉的作用下的運動方向與母材運動方向相同，母材金屬與焊縫金屬一起平滑變形，母材與焊縫金屬變形差異相對較小，因此在該側焊縫區與母材的邊界呈發散狀，看不出清晰的分界線。

圖2（a）中b～f位置對應于圖2（b）～圖2（f），圖2（b）為母材的金相組織，可以看到晶粒在沿軋制方向，即板長方向拉長，板厚方向較短。在此整個區域都存在一些隨機分布著的不同大小的黑色顆粒，在圖2（c）～2（f）中也可清晰地看到，分析認為這主要是由于鋁合金內Cu、Mg等合金元素與基體Al形成強化相被腐蝕引起的[10]。從圖2（c）～2（g）可以看到，焊核區域晶粒明顯小于母材晶粒，這是在攪拌頭和軸肩與金屬摩擦產生熱量使得其塑化，塑化后的晶粒在攪拌頭的攪拌作用下被打碎，并形成了均勻細小的等軸晶粒，屬于典型動態再結晶組織。此區域是攪拌作用強烈、材料流動劇烈的區域。

圖2 2024-T351鋁合金FSLW接頭焊縫宏觀與微觀組織Fig.2 Macroscopic and microstructure of weld seam of 2024-T351 aluminum alloy FSLW joint

從圖2（c）中還看到前進側一段細微的向下遷移界面，類似后退側的鉤狀缺陷，以及前進側母材與焊縫區的過渡區域。在前進側，塑性金屬運動方向與攪拌針旋轉方向相反，使得該區域塑性金屬的流動更加劇烈，兩搭接界面被充分分解，同時在軸肩的旋轉和擠壓下，前進側存在細微的向下鉤狀缺陷。圖2（e）中看到焊核區組織顏色明暗變化，呈現“洋蔥環”形態。圖中白色不連續部分為鉤狀缺陷延伸到焊核區域存在一定的吻接缺陷，由于搭接面表層在焊接過程中破裂不充分而形成[11]。圖2（f）中看到焊核區組織分布均勻、致密，均為較小的等軸晶粒。圖2（g）為后退側鉤狀缺陷區域焊縫區與母材過渡區域，此區域由于塑性金屬的流動性與攪拌針的旋轉方向相同，產生的金屬流動性相對溫和，原始的搭接界面沒有充分破裂，同時由于軸肩的旋轉與擠壓，使得遷移界面出現一段先向上，后向下彎曲并向焊核延伸的鉤狀缺陷。

2.2 疲勞壽命分析

在此次實驗中，出現三種疲勞斷裂模式，如圖3所示，模式[Ⅰ]為上板后退側鉤狀缺陷頂部沿板厚方向斷裂，模式[Ⅱ]為下板前進側鉤狀缺陷根部沿板厚方向斷裂，模式[Ⅲ]為模式[Ⅰ]和[Ⅱ]兩種情況同時存在。

圖3 疲勞斷裂模式Fig.3 Mode of fatigue fracture

表3為疲勞試驗數據，可看出，斷裂模式的趨勢：在高載荷下，下板都發生斷裂，上板發生斷裂或彎曲變形。在低載荷下，上板都發生斷裂，下板未出現變形，斷裂位置隨著載荷水平變化發生改變。

表3 疲勞試驗數據Tab.3 Data of fatigue test

圖4 搭接接頭疲勞S-N曲線Fig.4 Fatigue S-N curves of overlap welded joints

圖4為疲勞試驗數據經線性擬合在疲勞壽命取對數，即橫坐標為對數下繪制成S-N曲線。此處名義應力為載荷除以截面面積。該曲線表達了疲勞載荷名義應力幅S與疲勞壽命N之間的關系，其關系可表示為[12]：

式中，C、m為常數。

此處的實驗數據擬合的名義應力幅S與疲勞壽命N的關系式如式（2）所示。

3 有限元建模與數值模擬

為了更好地分析FSLW接頭的薄弱區域疲勞受載狀況，運用Abaqus有限元分析軟件對其建立有限元模型并施加循環載荷進行應力應變分析。

關于FSLW接頭的有限模型的建立，由于各學者實驗材料與工藝差異使得搭接接頭鉤狀缺陷形貌各異，目前還沒有代表性的建模方法。DUARTE等人[13]將前進側與后退側鉤狀缺陷用四分之一圓周表示。SHAHRI等人[14]將焊縫形貌按近似規則圖形處理，并對鉤狀缺陷根部采用虛擬缺口半徑法作半圓，圓直徑作為焊縫間隙。在實驗中，試件前進側和后退側都出現了疲勞斷裂，所以兩側的應力集中問題都需要考慮。在后退側，通過對整個搭接接頭橫截面形狀掃描，然后對上板底部鉤狀缺陷進行描點，將點采用樣條曲線進行連接，可以得到還原度很高的鉤狀缺陷形貌。對于后退側，鉤狀缺陷的應力集中位置在鉤狀缺陷頂部的圓弧部分，在此處進行網格加密。而對于前進側，由于應力集中位置在鉤狀缺陷的根部，在有限元分析中對網格密度較為敏感。文獻[3]中采用虛擬缺口半徑法對焊接接頭焊趾和焊根應力集中處進行處理，將板材厚度t≥5 mm焊接接頭焊趾和焊根的缺口虛擬半徑確定為1 mm，而對于板材厚度t＜5 mm的焊接接頭，缺口的虛擬半徑確定為0.05 mm，這個半徑首先被ZHANG等[15]成功使用，EIBL等人[16]采用r=0.05 mm的虛擬缺口半徑創建了薄板焊縫的參考S-N曲線。在本文中鋁材板厚為2 mm，因此本文中對前進側鉤狀缺陷采用r=0.05 mm虛擬缺口半徑進行建模，建立如圖5所示的搭接接頭模型。

圖5 搭接接頭截面形貌模型Fig.5 The sectional topography model of lap joint

為了減少計算量，采用二維平面應變單元（CPE4）進行計算，總單元數為38785，節點數為39777。由于材料在FSW焊接過程中不熔化，焊縫中沒有填充材料，熔核中殘余應力較低[17]，在有限元模型中，假定模型中各區域材料性能是均勻的，均以2024-T351鋁合金的彈塑性屬性來添加材料的屬性，并忽略殘余應力的影響。2024-T351鋁合金的循環應力-應變曲線[18]表達式為

式中，εa為應變幅，σa為應力幅，E為彈性模量，74.1 GPa，K'為材料循環強度系數，926 MPa，n'為循環應變指數，0.145。

將模型左端設置為完全約束，右端設置為拉-拉循環加載，加載情況與疲勞實驗一致，右端也設置加載方向以外方向的約束。

圖6顯示了FSLW接頭最大載荷為5 kN時接頭橫截面等效應力分布。可以看出應力集中位置在前進側焊縫根部靠近下板區域與后退側鉤狀缺陷的頂部上板區域，這與疲勞實驗結果中的斷裂位置相吻合。

圖6 搭接接頭應力云圖Fig.6 Stress contour map of lap joint

4 FSLW接頭疲勞壽命預測

局部應力應變法是一種適用于低周疲勞狀態下基于缺口應力應變分析的疲勞壽命估算方法，這種方法認為焊接結構整體疲勞性能由應力集中處應力應變狀態決定。由于搭接接頭固有存在的鉤狀缺陷以及受載后會在接頭處產生彎曲變形，會出現應力集中情況，本文采用此種方法來預測疲勞壽命。

通過局部應力應變法所估算的僅是裂紋萌生壽命，而總的疲勞壽命包括裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命，為了得到總的疲勞壽命，需找出裂紋萌生壽命占總疲勞壽命的比例。ZHANG等[19]認為，裂紋萌生壽命占到總疲勞壽命的40%～50%，尚德廣等人[20]研究認為疲勞裂紋萌生壽命占到總壽命的約50%，在本文中取裂紋萌生壽命占總疲勞壽命的50%。

式中，Nt為總疲勞壽命，N為估算的裂紋萌生壽命。

由于搭接接頭在疲勞拉伸中會產生彎曲變形，在循環加載情況下兩個應力集中區域的最大Mises應力和最大主應力對應的單元并不是固定的，而等效塑性應變（PEEQ）表達了整個疲勞加載過程的塑性累積，在本文中所選取的是兩個應力集中區的最大PEEQ值所對應單元，并分別將兩個單元在有限元分析中計算得到的最大應力和對應的應變幅帶入SWT疲勞損傷公式[21]。由于兩個應力集中位置均發生了疲勞斷裂，需要對兩個應力集中位置進行壽命預測：

式中，σmax為最大應力，為總應變幅，b為疲勞強度指數，c為疲勞塑性指數為疲勞塑性系數，為疲勞強度系數，E為彈性模量。

材料各疲勞參數見表4。

表4 材料各疲勞參數[18]Tab.4 Material fatigue parameters

將式（5）SWT疲勞損傷公式計算得到的裂紋萌生壽命帶入式（4）中得到總的疲勞壽命。

由圖7可知，采用上板或下板應力集中處數據來估算低周疲勞壽命結果都在2個因子內，而在高周疲勞壽命，預測結果較大，另外兩組高周疲勞數據的預測結果偏差太大未在圖中顯示。

圖7 有限元法預測疲勞壽命Fig.7 Life prediction of finite element simulation

局部應力應變法基本思想是通過對零件或構件的應力集中危險部位的應力應變響應進行精確的彈塑性分析，但是這基本思想是建立在應力集中處進入較大程度的屈服，在低周疲勞下預測結果較為精確，而高周疲勞下預測結果偏差較大。

5 討論

僅從搭接接頭的宏觀截面形貌上看，可以認為接頭的最薄弱位置位于后退側鉤狀缺陷頂部上板位置，這是有效厚度值最小的位置，有效厚度為1.26 mm（約為板厚的63%），但是從實驗結果和有限元分析結果中可以看到，在高載荷拉伸時，下板斷裂為主要斷裂形式，可認為下板處應力集中情況比有效厚度更大程度地影響搭接接頭的疲勞壽命。

在低疲勞載荷情況下（最大載荷3 kN以下），全部為上板斷裂，在有限元分析中，最大應力點在下板鉤狀缺陷處，結合焊接區域的組織結構和斷口分析，可認為在下板焊接區域兩板接觸的向下延伸區域存在一定的虛接連接，沒有較好的承載能力，而在低載荷疲勞加載時，尚能夠承擔相當的載荷，此虛連接并不張開。使得低載荷疲勞加載時下板的疲勞壽命高于上板。而在高載荷時，虛接連接處會開裂，相當于一個預先存在的裂紋或缺口，在此處發生破壞。

6 結論

（1）FSLW接頭不可避免的存在前進側與后退側不對稱的界面遷移現象，使得在高疲勞載荷下，下板都發生斷裂，上板產生斷裂或彎曲變形，在低疲勞載荷下，上板都發生斷裂，下板未出現變形，斷裂位置隨著疲勞載荷水平變化發生改變。

（2）采用SWT疲勞損傷模型適合用來預測FSLW接頭低周疲勞壽命，預測的壽命結果可達到位于2個因子內。

（3）有限元模擬出FSLW接頭的性能薄弱位置與實驗結果一致，當承載荷側存在Hook缺陷時，FSLW接頭由Hook形狀引起的應力集中比有效板厚對搭接接頭的疲勞壽命影響更大。