鋁合金型材對搭接攪拌摩擦焊接頭中Hook缺陷的安全評定

馮浩 劉澤鵬 張紅 閆志峰 董鵬

摘要：基于斷裂力學理論對鋁合金型材對搭接攪拌摩擦焊接頭中Hook缺陷進行安全評定，并通過疲勞試驗進行驗證。金相顯示Hook缺陷的本質是搭接面在攪拌頭劇烈攪拌作用下向上遷移的結果，顯現為裂紋的形式。將Hook缺陷歸一化為延伸到焊縫內部的單邊裂紋，裂紋擴展速率線性擬合得出應力強度因子幅度門檻值ΔKth為2.509 MPa·m1/2。依據裂紋擴展條件，得到評定Hook缺陷疲勞擴展的缺陷尺寸-應力幅關系曲線。疲勞試驗結果與理論Hook缺陷臨界擴展應力幅值有一定的誤差，誤差平均值為9.4%，整體趨勢與理論曲線吻合度較好，可以將該理論公式應用到Hook缺陷疲勞擴展臨界應力幅的預測中，對不同工作應力幅下接頭中Hook缺陷進行安全評定。

關鍵詞：鋁合金;對搭接攪拌摩擦焊;Hook缺陷;門檻值;臨界應力幅

中圖分類號：TG457.14 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0026-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.05

0 ? ?前言

6005A-T6鋁合金具有良好的強度、可成形性和耐腐蝕性能，因其擠壓成形性能優異而被應用于型材構件的生產，是標準動車組列車車體型材的主要選擇。這種型材鋁合金的連接工藝主要包括鉚接、熔化焊、壓力焊等[1]，若進行鉚接，可以保證連接強度，但是由于加入了除母材外的新材料，車身質量增加，不利于輕量化。若進行普通的熔化焊焊接，鋁合金大的線膨脹系數會帶來氣孔、夾渣及熱裂紋等缺陷，明顯降低接頭強度和服役下的疲勞性能。攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，FSW）作為一種新型固相連接技術，能較好地避免上述問題，可應用于所有主要系列鋁合金的焊接，是鋁合金優先選擇的焊接方法[2]。

使用單軸肩攪拌摩擦焊焊接型材構件時，如采用對接形式，需要在背部增加支撐墊板，過程較為繁瑣且易導致焊接不穩定，因此設計了一種對搭接接頭形式[3]，型材自帶支撐搭接墊板。但由于搭接面過長，在攪拌針的攪拌下，一部分搭接面焊接形成焊核區，一部分則不能完全焊接，被稱作Hook缺陷[4]（也稱吊鉤缺陷），減小了上板的有效焊接厚度，相當于在攪拌區中形成了潛在的裂紋擴展路徑[5]。目前一般認為Hook缺陷是由氧化物和局部冶金區域組成，光鏡下呈現裂紋狀，缺陷的起始段一般為近似直線，尾部則既有向上偏移也有向下偏移[6]。Hook缺陷的幾何形狀隨焊接速度變化而變化，以較低的焊接速度向上偏轉到攪拌區中，后退側上的Hook缺陷在焊接速度較高時向下延伸到底部攪拌區[7]。另外，有學者建立了焊接參數與力學性能的數學關系，隨著攪拌針長度的增加，接頭抗剪強度呈現先降低后提高的趨勢[8]。

目前的研究主要集中在Hook缺陷的形成規律和對常規力學性能的影響。Hook缺陷的存在對接頭的疲勞來說是一個大的安全隱患，為此文中通過光鏡觀察缺陷形貌并測量尺寸，通過裂紋擴展速率試驗確定應力強度因子幅度門檻值，以斷裂力學理論為基礎對Hook缺陷疲勞行為進行評定，最后通過脈動拉伸疲勞試驗驗證結果，建立Hook缺陷焊接接頭安全評定方法。

1 試驗材料與方法

試驗材料為6005A-T6鋁合金型材，厚度16 mm，供貨狀態為固溶處理+人工時效，其化學成分和力學性能如表1、表2所示。

試驗采用對搭接攪拌摩擦焊方式對6005A-T6鋁合金型材進行焊接對搭接形式實物橫截面如圖1所示。焊接前使用砂紙打磨待焊焊縫兩側，并使用酒精擦拭，采用剛性夾具將型材底部固定，保證焊接過程中焊縫兩側對齊，對搭接面緊密貼合，焊接速度300～600 mm/min，轉速400～700 r/min。

焊接完成后，沿垂直于焊縫方向線切割加工金相試樣、裂紋擴展試驗緊湊拉伸標準試樣（CT試樣）、疲勞試樣，銑去加強筋部分。金相試樣和疲勞試樣取樣位置如圖2所示，金相試樣經過拋光和Keller試劑腐蝕后在LEICA DM2700M型顯微鏡下觀察缺陷形貌，裂紋擴展試驗和疲勞試驗在PLG-200D高頻拉壓疲勞試驗機上進行。

2 結果與討論

2.1 Hook缺陷微觀特征

Hook缺陷形貌如圖3所示。從接頭橫截面（見圖3a）可以明顯看到Hook缺陷的存在，但無法精確獲得缺陷尺寸信息。進一步采用光學顯微鏡對缺陷進行表征，拼接的放大100倍光鏡照片如圖3b所示，可以看出，Hook缺陷自搭接面邊緣開始，終止于熱機械影響區/焊核區邊界處，“ 鉤 ”朝上，Hook缺陷寬度從宏觀尺寸一直延伸到肉眼不可見的微觀尺寸（見圖3c），其尖端有鈍化特征（見圖3d），相比于尖裂紋，鈍化后的尖端應力強度因子下降，阻礙裂紋繼續擴展，對力學性能惡化的影響顯然要小;根據ISO 25239-5：2011攪拌摩擦焊 鋁 質量檢驗要求中對Hook缺陷尺寸測量的規定，圖中缺陷的尺寸為660 μm;可見Hook缺陷本質上是未焊合形成的缺陷，顯現為裂紋形式，并且與原始搭接面有著密切關系：處于焊核區的搭接面在強烈的攪拌作用下消失，但在焊核區外，這些搭接面未能發生有效連接，只在焊接熱-力作用下產生變形，距離焊核區越近，向上彎曲變形程度越大，Hook缺陷的存在使得搭接部位和母材之間形成明顯的分界面，兩側的組織和成分不均勻且不相互結合。

2.2 含Hook缺陷接頭的疲勞評定

由上述分析可知，Hook缺陷本質上是未焊合形成的缺陷，顯現為裂紋形式，對此，可以將其歸一化處理為從接頭表面一直延伸到焊縫內部的單邊裂紋，動載下容易在Hook缺陷尖端發生疲勞擴展。因此，可以運用斷裂力學理論依據裂紋擴展速率中裂紋擴展應力強度因子幅度門檻值，根據應力強度因子計算式推導得出擴展臨界應力幅值公式，以裂紋不發生疲勞擴展的條件進行抗擴展評定[9]。

對含Hook缺陷接頭進行疲勞試驗，Hook缺陷是沿著搭接面并向焊核區內擴展，故在裂紋擴展速率試驗中CT試樣的缺口選取焊縫中偏向搭接面一側的位置，如圖4所示。

通過裂紋擴展速率試驗，可以得到裂紋擴展速率的a-N曲線（見圖5），不論施加力的大小，擴展后期斜率都大于前期，表明隨著裂紋的擴展，擴展速率逐漸增加，裂紋擴展的狀態從穩態逐漸變為非穩態。對比三種施加力下的裂紋擴展變化可以發現，施加力越大，裂紋的擴展速率越快。

依據圖5的a-N曲線可以得到描述疲勞裂紋擴展性能的da/dN-ΔK關系圖，如圖6所示，其中da/dN為裂紋擴展速率，ΔK為應力強度因子幅度。將不同趨勢范圍內的點線性擬合，可表示出三個階段，不同斜率的直線對應裂紋擴展的低速率階段、中速率階段和高速率階段。低速率區的線性擬合直線方程為：

da/dN=4.141 69×10-5ΔK-1.038 21×10-4 ? ? ? ? ?（1）

Paris公式擬合方程為：

da/dN=10-9.054（ΔK）4.002 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

裂紋擴展速率近似趨于0即認為裂紋不擴展，這里近似取擴展速率da/dN=10-7m·Cycles-1，依據式（1）求得結果ΔK為2.509 MPa·m1/2，該值為描述疲勞裂紋擴展性能的參數應力強度因子幅度門檻值ΔKth，在擴展低速率區，裂紋不發生疲勞擴展的條件[10]：

ΔK<ΔKth ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

將ΔKth代入應力強度因子公式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，可推導得出裂紋尺寸與擴展臨界應力幅的函數關系：

式中 a為Hook缺陷尺寸;Δσmax為擴展臨界應力幅。依據該函數關系，可確定任意尺寸Hook缺陷的疲勞擴展臨界應力幅，工程應用中可以依據不擴展條件對Hook缺陷進行安全評定。

同理，依據Paris公式擬合方法得到的不擴展條件為：

2.3 Hook缺陷疲勞擴展試驗驗證

對在工藝試驗中獲得的Hook缺陷接頭，選取疲勞試樣兩側位置的金相進行光鏡觀察并測量缺陷尺寸，以兩者平均缺陷尺寸作為疲勞試樣所含Hook缺陷尺寸，結果如表3所示。

通過疲勞試驗得到相應條件下的Hook缺陷擴展臨界應力幅值，與理論曲線的對比如圖7、表4所示。可以看出，依據Paris公式擬合得到的Hook缺陷不擴展條件與實際結果誤差較大。而運用線性擬合預測結果與實際結果吻合程度較好，且當Hook缺陷尺寸越小，理論值和試驗值誤差較小;Hook缺陷尺寸越大，誤差較大。試驗中誤差絕對值平均為9.4%，在可控范圍內，可以依據式（5）來評定實際工作中在不同應力幅下，含Hook缺陷的接頭能否安全工作不發生疲勞擴展。

3 結論

（1）對搭接接頭中Hook缺陷的本質是未焊合形成的缺陷，顯現為裂紋形式，Hook缺陷起源于原始搭接面，尖端終止于焊核區和熱機械影響區邊界處，是焊接過程中劇烈的攪拌作用導致搭接面向上遷移的結果。

（2）通過線性擬合和Paris公式擬合裂紋擴展速率，根據裂紋不發生擴展條件，得到Hook缺陷不擴展的應力幅條件。

（3）依據Paris公式擬合得到的Hook缺陷擴展應力幅預測值與實際結果誤差較大，而疲勞試驗結果與線性擬合擴展速率推導得到的Hook缺陷擴展臨界應力幅公式曲線吻合較好，誤差絕對值平均為9.4%。

參考文獻：

R S Mishra，Z Y Ma. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering R，2005，50（1-2）：1-78.

G K Padhy，C S Wu，S Gao. Friction stir based welding and processing technologies-processes，parameters，microstructures and applications：A review[J]. Journal of Materials Science and Technology，2018，34（1）：1-38.

ZHONGWEI MA，LIN MA，BO XU，et al. High cycle fatigue performance of hollow-extruded 6005A-T6 aluminum alloy characterized by a layered microstructure[J]. Arch.，Metall.，Mater，2019，64（1）：285-292.

Zhengwei Li，Yumei Yue，Shude Ji，et al. Joint features and mechanical properties of friction stir lap welded alclad 2024 aluminum alloy assisted by external stationary shoulder[J]. Materials and Design，2016（90）：238-247.

羅凱. 攪拌摩擦焊搭接接頭界面遷移行為的研究[D]. 南昌：南昌航空航天大學，2010.

吳志明，吳堅定，馬正斌，等. 鋁合金攪拌摩擦焊對搭接接頭Hook 缺陷研究[J]. 航空制造技術，2014（16）：57-60.

Youbao Song，Xinqi Yang，Lei Cui，et al. Defect features and mechanical properties of friction stir lap welded dissimilar AA2024-AA7075 aluminum alloy sheets[J]. Materials and Design，2014（55）：9-18.

蔣若蓉，李文亞，楊夏煒，等. 薄板AA2024鋁合金無針攪拌摩擦焊搭接工藝與接頭性能[J]. 焊接學報，2016，37（4）：98-102.

陳傳堯，疲勞與斷裂[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2002.

Jaap Schijve. Fatigue of Structures and Materials[M]. Dordrecht：Kluwer Academic Publishers，2004.

收稿日期：2021-01-18

基金項目：國家自然科學基金青年項目（51505321）

作者簡介：馮 浩（1996—），男，碩士，主要從事攪拌摩擦焊的研究。E-mail：fenghao0155@link.tyut.edu.cn。

通訊作者：董 鵬，博士，副教授，主要從事焊接結構的疲勞與斷裂和功能材料的微納連接方面的研究。E-mail：dongpeng@tyut.edu.cn。