2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭的裂紋擴(kuò)展行為

段小雪，田志杰，杜巖峰，張彥華

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191;2.首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

0 引言

2219鋁合金具有比強(qiáng)度高、低溫和高溫力學(xué)性能優(yōu)良、斷裂韌度高以及抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)越等特點(diǎn)，是制造運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)貯箱的理想材料之一。之前主要采用鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、電子束焊和變極性等離子體焊等熔焊方法對(duì)2219鋁合金進(jìn)行連接［1－2］，但熔焊的接頭強(qiáng)度僅為母材的50%～70%，且接頭中易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋等缺陷。

攪拌摩擦焊接作為一種新的焊接方法，以固相連接的特點(diǎn)在鋁合金焊接方面優(yōu)勢(shì)明顯［3－8］。目前對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊的研究多集中在接頭的組織和力學(xué)性能方面，而有關(guān)接頭中裂紋擴(kuò)展問(wèn)題的研究報(bào)道卻很少。攪拌摩擦焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)經(jīng)歷了高速率粘性流動(dòng)遷移和劇烈的塑性變形，由此導(dǎo)致攪拌摩擦焊接頭的組織和力學(xué)性能具有較大的不均勻性，這必然會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)展行為產(chǎn)生影響。因此，研究攪拌摩擦焊接頭中裂紋的擴(kuò)展規(guī)律對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制設(shè)計(jì)具有重要意義。作者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，重點(diǎn)研究了2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域的裂紋擴(kuò)展抗力和裂紋擴(kuò)展路徑，并分析了攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能不均勻性對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為300 mm×150 mm×6 mm的2219-T6鋁合金，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別為369 MPa，445 MPa和14.3%，名義化學(xué)成分如表1所示。

表1 2219鋁合金的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Nom inal chem ical composition of 2219 alum inium alloy（mass） %

焊接試驗(yàn)在自行改造的攪拌摩擦焊設(shè)備上進(jìn)行，采用螺距為1 mm、軸肩直徑為24 mm、內(nèi)凹角度為7°、探針長(zhǎng)度5.8 mm、錐度為 20°、根部直徑為 6 mm的帶螺紋焊針。焊接過(guò)程中攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為800 r·min－1，行進(jìn)速度為220 mm·min－1，攪拌頭傾角為 2°。

焊接后制取焊接接頭金相試樣，用混合酸（1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O）溶液對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察攪拌摩擦焊接頭橫截面的顯微組織。

按照GB/T 228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在Instron-1186型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)縱向焊縫試樣、橫向接頭試樣以及母材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其中縱向焊縫試樣在寬度為6 mm的純焊核區(qū)取樣。

裂紋擴(kuò)展試樣采用緊湊拉伸型，取樣位置如圖1所示。試樣厚度為5 mm，寬度為76 mm，長(zhǎng)度為80 mm。預(yù)制裂紋分別位于焊縫中心、前進(jìn)側(cè)和回退側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）以及母材上。裂紋延性擴(kuò)展試驗(yàn)在MTS 810-50型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，儀器自動(dòng)記錄載荷P和裂紋張開(kāi)位移V的關(guān)系曲線。

圖1 裂紋擴(kuò)展試樣的取樣位置Fig.1 Sampling places of the sample used for crack propagation test

獲取裂紋延性擴(kuò)展試樣的裂紋擴(kuò)展部分，將其切為兩片，觀察中間厚度的裂紋張開(kāi)角，獲得必要的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算裂紋尖端張開(kāi)角（CTOA）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

由圖2可以看出，攪拌摩擦焊接頭具有明顯的組織分區(qū)，可以分為焊核區(qū)、軸肩區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū);焊縫區(qū)上寬下窄，呈“V”狀，焊核區(qū)存在一系列的同心圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，即“洋蔥環(huán)”;前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的面積大于回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的。

2.2 拉伸性能

圖2 攪拌摩擦焊接頭的宏觀形貌Fig.2 Macrograph of FSWjoints

圖3 焊縫、橫向接頭及母材的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength and yield strength of weld seam，transverse joint and basemetal

從圖3可以看出，焊縫、橫向接頭的抗拉強(qiáng)度無(wú)顯著差異，均低于母材的抗拉強(qiáng)度;焊縫區(qū)、橫向接頭的屈服強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于母材的，焊縫的屈服強(qiáng)度不足母材的1/2?？梢?jiàn)，2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度的不均勻性是比較顯著的。

2.3 裂紋擴(kuò)展抗力

緊湊拉伸試驗(yàn)中裂紋的擴(kuò)展過(guò)程可用圖4來(lái)演示，縱軸為外加載荷P，橫軸為裂紋張開(kāi)位移V，根據(jù)P-V曲線來(lái)確定斷裂參量的特征值。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)載荷P小于某臨界值時(shí)，裂紋產(chǎn)生鈍化并不擴(kuò)展;當(dāng)載荷P超過(guò)某臨界值時(shí)裂紋起裂并穩(wěn)定擴(kuò)展;裂紋擴(kuò)展到一定尺寸后載荷下降，試樣最終斷裂。

圖4 裂紋擴(kuò)展示意Fig.4 Abridged general view of crack propagation

預(yù)制裂紋的試樣在拉伸過(guò)程中將發(fā)生裂紋起裂和擴(kuò)展。在圖5中，P-V曲線下的面積是裂紋起裂和擴(kuò)展過(guò)程中所消耗的能量，稱為斷裂吸收能，它的大小反映了材料的抗斷裂能力。斷裂吸收能越大，材料的抗斷裂能力越強(qiáng)。由圖5可以看出，母材的斷裂吸收能低于接頭試樣的，焊縫中心、前進(jìn)側(cè)和回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的斷裂吸收能無(wú)顯著差異。

圖5 不同試樣的載荷與裂紋張開(kāi)位移曲線Fig.5 Load vs crack tip opening displacement for different samples

材料的抗延性斷裂能力也可用CTOA來(lái)表征［9－10］。由圖6可見(jiàn)，母材的CTOA值小于接頭各區(qū)域的。這說(shuō)明母材的抗斷裂能力低于接頭各區(qū)域的，這與P-V曲線所對(duì)應(yīng)的斷裂吸收能是一致的。

圖6 縱向延性裂紋擴(kuò)展試樣在不同裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度下的CTOAFig.6 CTOA values of longitudinal crack propagation sam ples at different crack propagation lengths

綜上可見(jiàn)，盡管母材的強(qiáng)度高于接頭的，但抗裂紋擴(kuò)展能力卻低于接頭的，母材中的裂紋一旦起裂便迅速擴(kuò)展，而接頭各區(qū)域裂紋起裂后的擴(kuò)展還需要進(jìn)一步消耗能量，載荷需進(jìn)一步提高以維持裂紋擴(kuò)展，因此其剩余強(qiáng)度要高于母材的，從而可以保證焊接結(jié)構(gòu)的完整性。另外，這也說(shuō)明鋁合金攪拌摩擦焊接頭在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面要兼顧常規(guī)強(qiáng)度指標(biāo)和抗斷裂能力。

2.3 裂紋擴(kuò)展路徑

2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭不均勻的組織和力學(xué)性能使得裂紋擴(kuò)展受到的抗力是變化的，由此導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展方向的不穩(wěn)定性。由圖7可見(jiàn)，母材區(qū)的裂紋基本沿直線擴(kuò)展;焊縫中心的裂紋大多向回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和母材側(cè)擴(kuò)展，也有沿焊縫中心區(qū)擴(kuò)展的，焊縫中心裂紋穿越熱機(jī)影響區(qū)并進(jìn)入母材后的擴(kuò)展阻力降低，亦有可能導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展;位于前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的裂紋大多向焊縫擴(kuò)展，也有可能穿越焊縫向另一側(cè)母材擴(kuò)展;裂紋在穿越不同區(qū)域時(shí)擴(kuò)展阻力會(huì)發(fā)生變化;位于回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的裂紋大多局限在該區(qū)內(nèi)擴(kuò)展，這種擴(kuò)展特性反映了不同區(qū)域裂紋擴(kuò)展阻力的不同。

從2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織分區(qū)（圖2）可以看出，貫穿熱機(jī)影響區(qū)的裂紋要跨越軸肩影響區(qū)和焊核區(qū)與母材的過(guò)渡區(qū)。前進(jìn)側(cè)與回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的組織具有一定的差異，前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與母材之間的界面明顯，回退側(cè)焊核區(qū)與母材之間則是逐步過(guò)渡的組織。這表明前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的變形梯度大，回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的變形梯度小，變形梯度大的前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的力學(xué)性能具有更大的不均勻性，這使得裂紋擴(kuò)展方向具有更大的不穩(wěn)定性。如果前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與母材之間的界面存在缺陷，則其可能成為裂紋擴(kuò)展的通道。因此，前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與母材的連接質(zhì)量對(duì)接頭整體的抗斷裂性能是非常重要的。

圖7 接頭不同區(qū)域內(nèi)縱向裂紋的擴(kuò)展路徑Fig.7 Propagation path of longitudinal cracks in different areas of joint:（a）basematel;（b）at the center of weld seam;（c）TMAZ at advancing side and（d）TMAZ at retreating side

3 結(jié)論

（1）2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭的強(qiáng)度低于母材的，但其抗裂紋擴(kuò)展能力卻優(yōu)于母材的，焊縫中心、前進(jìn)側(cè)和回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的抗裂紋擴(kuò)展能力無(wú)顯著差異。

（2）2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能的不均勻使裂紋擴(kuò)展方向具有不穩(wěn)定性，前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中具有跨越焊縫擴(kuò)展的趨勢(shì)，焊縫裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)向回撤側(cè)熱機(jī)影響區(qū)偏轉(zhuǎn)，回退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和母材裂紋擴(kuò)展的偏轉(zhuǎn)較小。

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