2219鋁合金攪拌摩擦焊和鎢極保護(hù)焊焊接件殘余應(yīng)力的中子衍射研究

陳星雨，劉曉龍,*，吳運(yùn)新，聶 林，李眉娟，孫 凱，陳東風(fēng)，劉蘊(yùn)韜,*

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083)

2219鋁合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高強(qiáng)度和良好的斷裂韌性，常用于航天飛行器的燃料貯藏箱和氧化劑槽等關(guān)鍵部位[1]。航天飛行器燃料箱等大型構(gòu)件多采用焊接技術(shù)連接成型，常用的焊接方法主要有鎢極保護(hù)焊(TIG)和攪拌摩擦焊(FSW)。TIG是在惰性氣體保護(hù)下，利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的熔化焊方法[2]。FSW是一較新的固相連接技術(shù)，由攪拌針伸入工件接縫處，通過焊頭高速攪拌與摩擦，完成材料軟化與焊接[3]。焊接過程后，勢必引入殘余應(yīng)力，并影響最終部件的疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕性能和結(jié)構(gòu)精度等[4]，因此焊接件殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確表征具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外在鋁合金焊接件殘余應(yīng)力表征方面已展開了許多研究。李亭等[5]采用小孔法對鋁合金FSW焊接件進(jìn)行了殘余應(yīng)力測量，結(jié)果表明殘余應(yīng)力以縱向殘余應(yīng)力為主，拉應(yīng)力范圍主要在軸肩區(qū)域；Staron等[6]采用中子衍射法對2024鋁合金FSW焊接件殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，結(jié)果表明縱向應(yīng)力分布呈雙峰特征；李慶慶等[7]采用X射線法測量了2219鋁合金TIG焊接件表面殘余應(yīng)力分布，最大縱向拉應(yīng)力為165 MPa，位于焊縫中部熱影響區(qū)。然而，對于2219鋁合金焊接件殘余應(yīng)力尚未開展三維深度殘余應(yīng)力研究。在各種測量技術(shù)中，中子衍射法具有三維深度無損的優(yōu)勢[8]，因此利用中子衍射法進(jìn)行2219鋁合金FSW和TIG焊接件殘余應(yīng)力測量具有極大應(yīng)用價(jià)值。

本工作通過中子衍射法分別對2219鋁合金FSW和TIG焊接件進(jìn)行殘余應(yīng)力測量與分析，以得到兩種工藝焊接件的殘余應(yīng)力分布，為理解和控制2219鋁合金焊接件殘余應(yīng)力分布提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品分別采用FSW和TIG進(jìn)行焊接。樣品材料為10 mm厚的2219鋁合金，主要成分列于表1。其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度455 MPa，屈服強(qiáng)度352 MPa。樣品尺寸均為200 mm×200 mm×10 mm。焊接參數(shù)為：FSW的攪拌針轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，焊接速度為100 mm/min，軸肩半徑為10 mm，攪拌針半徑為2 mm，焊縫寬度為20 mm；TIG的焊接電流為220 A，焊接電壓為32 V，焊接速度為2 mm/s，焊縫寬度為8 mm。

表1 2219鋁合金的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of 2219 aluminum alloy

2 中子衍射實(shí)驗(yàn)

2.1 測量原理

中子衍射法測量殘余應(yīng)力的基本原理為：一定應(yīng)力狀態(tài)引起的材料宏觀應(yīng)變與晶格應(yīng)變相關(guān)，而晶面間距的變化將引起B(yǎng)ragg衍射峰的位置移動(dòng)。由布拉格定律(式(1))可知，波長為λ的中子束通過樣品后，衍射峰的位置θ將發(fā)生偏移。通過測量樣品與無應(yīng)力試樣對應(yīng)位置處的衍射峰位置，可得到應(yīng)變ε。

λ=2dsinθ

(1)

(2)

式中：d為待測點(diǎn)的晶格面間距；d0為無應(yīng)力試樣對應(yīng)位置處的晶格面間距；θ為樣品衍射峰位置；θ0為無應(yīng)力試樣對應(yīng)的衍射峰位置。

對于被測應(yīng)變εφφ，可用給定坐標(biāo)系下的正應(yīng)變和切應(yīng)變來表示，一般需測量至少6個(gè)方向的應(yīng)變以解出應(yīng)變分量。如果已知該點(diǎn)應(yīng)力的主方向，則沒有切應(yīng)變，因此只需測量3個(gè)主方向的應(yīng)變。通過廣義胡克定律：

(3)

可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為3個(gè)主應(yīng)力方向的應(yīng)力，式中i=1、2、3分別對應(yīng)3個(gè)正交方向，Ehkl為對應(yīng)晶面的彈性模量，vhkl為對應(yīng)晶面的泊松比。

2.2 實(shí)驗(yàn)測量

殘余應(yīng)力測量實(shí)驗(yàn)在德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心(HZB)的E3譜儀上進(jìn)行。譜儀使用Si(400)晶面的雙聚焦單色器，起飛角為74°，中子波長為0.148 nm，選擇受晶間應(yīng)力影響較小且衍射強(qiáng)度較高的Al(311)為研究晶面，對應(yīng)的彈性模量E311為69 GPa，泊松比v311為0.35。

FSW和TIG焊接件的測量路徑示于圖1。測點(diǎn)分布在FSW焊接件中間位置的A-A橫截面和TIG焊接件中間位置的B-B橫截面。預(yù)估A-A橫截面和B-B橫截面上靠近焊縫區(qū)部分的應(yīng)力變化較大，因此在垂直焊縫方向，焊縫兩側(cè)區(qū)域測點(diǎn)間距5 mm，焊縫內(nèi)部測點(diǎn)間距2.5 mm，外側(cè)測點(diǎn)間距15 mm，垂直焊縫方向共設(shè)置23個(gè)測點(diǎn)，樣品右側(cè)因有夾具遮擋，測點(diǎn)有所減少。沿板材厚度方向，測點(diǎn)間距2.5 mm。入射狹縫的寬度和高度均2 mm，徑向準(zhǔn)直器的衍射束取樣尺寸為2 mm。

由于焊接件在厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于長寬方向的尺寸，因此厚度方向的溫度梯度較小，厚度方向的應(yīng)力可假定為平面應(yīng)力狀態(tài)[9-10]。令式(3)中的σ3=0，并將式(2)代入式(3)，可解出平面應(yīng)力狀態(tài)下的d0。

(4)

因此無需測量無應(yīng)力試樣的晶格面間距d0。

3 結(jié)果與討論

樣品厚度僅10 mm，可視為平面應(yīng)力分布，重點(diǎn)分析縱向和橫向殘余應(yīng)力的分布和變化。

3.1 FSW焊接件殘余應(yīng)力測量結(jié)果

圖2為FSW焊接件上、中、下層3條線的焊接殘余應(yīng)力分布。由圖2可知，軸肩作用區(qū)域附近，縱向殘余應(yīng)力呈不對稱殘余拉應(yīng)力分布。殘余拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在軸肩邊緣外側(cè)的熱影響區(qū)域。焊縫中心的殘余拉應(yīng)力值小于軸肩邊緣區(qū)域，這主要是由于攪拌針的攪拌和高溫使中心區(qū)域發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而一定程度上降低了中心處的拉應(yīng)力[11]?？v向殘余應(yīng)力在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)形成相平衡的壓應(yīng)力?？v向殘余應(yīng)力值分布在-42～101 MPa之間。

圖1 FSW和TIG焊接件的測量路徑Fig.1 Measuring path of FSW and TIG sheets

圖2 FSW焊接件殘余應(yīng)力分布Fig.2 Residual stress distribution in FSW sheet

前進(jìn)側(cè)由于軸肩上每點(diǎn)的線速度與前進(jìn)方向相同，形成疊加，軸肩與材料之間的相對速度更大，因此會帶來更大的摩擦熱，從而導(dǎo)致更大的殘余應(yīng)力。圖2中負(fù)軸為前進(jìn)側(cè)，正軸為后退側(cè)，可看出殘余應(yīng)力分布不對稱，且前進(jìn)側(cè)的殘余拉應(yīng)力峰值相對高于后退側(cè)的。

和縱向殘余應(yīng)力相比，橫向殘余應(yīng)力相對較小，應(yīng)力分布在-16～47 MPa之間。縱向殘余應(yīng)力是FSW焊接過程形成的主要?dú)堄鄳?yīng)力。

FSW焊接件縱向殘余應(yīng)力的數(shù)值較大，為比較不同厚度處的殘余應(yīng)力水平，從圖2提取不同厚度處的縱向殘余應(yīng)力分布，如圖3所示。從圖3可看出，上層殘余應(yīng)力峰值略小于下層的峰值。主要原因是上層焊接區(qū)域受軸肩的摩擦作用和頂鍛作用，對抑制焊后殘余應(yīng)力起重要作用[12-13]。構(gòu)件下層的頂鍛作用減小，對殘余應(yīng)力的抑制減小。此外，下層的再結(jié)晶程度相對較小，應(yīng)力釋放程度降低，因此下層的殘余拉應(yīng)力較大。中間層殘余應(yīng)力分布介于上層與下層之間。

3.2 TIG焊接件殘余應(yīng)力測量結(jié)果

圖4為TIG焊接件上、中、下層3條線的焊接殘余應(yīng)力分布。由圖4可知，焊接區(qū)域內(nèi)縱向殘余應(yīng)力呈拉應(yīng)力分布，縱向殘余應(yīng)力峰值位于對應(yīng)厚度處的焊縫邊緣區(qū)域，外側(cè)為相平衡的壓應(yīng)力區(qū)域。形成原因是在焊接過程中，焊縫區(qū)域的材料溫度高，導(dǎo)致膨脹，該部分受相鄰材料約束先產(chǎn)生壓應(yīng)力；在冷卻過程中，這部分將產(chǎn)生收縮，但被附近的材料牽拉，從而形成拉應(yīng)力區(qū)域。TIG焊縫中心區(qū)域的縱向殘余拉應(yīng)力小于焊縫邊緣區(qū)域處拉應(yīng)力，主要由于鋁合金材料熱擴(kuò)散系數(shù)較大，焊縫中心的高溫區(qū)域出現(xiàn)彈性應(yīng)力松弛，一定程度上降低了該區(qū)域殘余拉應(yīng)力[14]。此外，蓋面焊的焊縫寬度為12 mm，略寬于寬度為8 mm的打底焊焊縫，因此隨厚度的增加，焊縫寬度減小，拉應(yīng)力最大值所在位置間距減小。上層縱向殘余應(yīng)力分布在-69～174 MPa之間。

圖3 FSW焊接件厚度方向縱向殘余應(yīng)力分布Fig.3 Longitudinal residual stress distribution through thickness in FSW sheet

圖4 TIG焊接件殘余應(yīng)力分布Fig.4 Residual stress distribution in TIG sheet

與FSW焊接件類似，和縱向殘余應(yīng)力相比，TIG焊接件的橫向殘余應(yīng)力相對較小，應(yīng)力分布在-24～43 MPa之間?？v向殘余應(yīng)力為TIG焊接過程形成的主要焊接應(yīng)力。

TIG焊接件縱向殘余應(yīng)力的數(shù)值較大，為比較不同厚度處的殘余應(yīng)力水平，從圖4提取不同厚度處的縱向殘余應(yīng)力分布，如圖5所示。從圖5可看出，下層的縱向殘余拉應(yīng)力峰大于上層的縱向殘余拉應(yīng)力。TIG常用的焊接方法為先進(jìn)行一層打底焊，再進(jìn)行一層蓋面焊。下層區(qū)域由于受到兩次焊接熱循環(huán)的作用，將形成較大的殘余拉應(yīng)力峰。同時(shí)，打底焊時(shí)形成的壓縮變形會對上層區(qū)域起到預(yù)拉伸的作用，從而使上層縱向殘余應(yīng)力略小于下層縱向應(yīng)力[15]。中間層殘余應(yīng)力分布介于上、下層之間。

圖5 TIG焊接件厚度方向縱向殘余應(yīng)力分布Fig.5 Longitudinal residual stress distribution through thickness in TIG sheet

3.3 FSW和TIG焊接件殘余應(yīng)力比較

為比較兩種焊接工藝的焊后殘余應(yīng)力分布，選擇了FSW和TIG焊接件的下層縱向殘余應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

FSW焊接件的殘余拉應(yīng)力峰值小于TIG焊接件的殘余拉應(yīng)力峰值，且FSW焊接件的縱向殘余應(yīng)力分布整體更平緩。原因主要有：FSW是固相焊接技術(shù)，焊接過程中的最高溫度一般只有金屬熔點(diǎn)的80%，低于熔化焊的焊接溫度，帶來的變形和應(yīng)力相對較小[16]；FSW除摩擦熱外，還存在軸肩的頂鍛作用，而頂鍛作用有利于降低殘余應(yīng)力。兩種原因綜合影響，使得FSW焊接件的殘余應(yīng)力相對小于TIG的。

圖6 FSW和TIG焊接件下層縱向殘余應(yīng)力分布比較Fig.6 Comparison between longitudinal residual stress distribution of lower plane in FSW and TIG sheets

4 結(jié)論

利用中子衍射技術(shù)獲得了2219鋁合金FSW和TIG焊接件的三維殘余應(yīng)力分布，得到結(jié)論如下。

1) 焊接縱向殘余應(yīng)力較大，其中TIG焊接件的縱向殘余應(yīng)力范圍為-69～174 MPa，F(xiàn)SW焊接件的縱向殘余應(yīng)力范圍為-42～101 MPa；橫向殘余應(yīng)力及法向殘余應(yīng)力相對較小。

2) FSW焊接件的縱向殘余應(yīng)力在軸肩范圍內(nèi)為殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力最大值處于軸肩邊緣的熱影響區(qū)；前進(jìn)側(cè)的殘余拉應(yīng)力峰值大于后退側(cè)的殘余拉應(yīng)力峰值；軸肩區(qū)外為平衡的殘余壓應(yīng)力；焊接件上層區(qū)域的最大殘余拉應(yīng)力小于焊接件下層區(qū)域。

3) TIG焊接件的縱向殘余應(yīng)力在焊接區(qū)內(nèi)為殘余拉應(yīng)力，焊接區(qū)外為平衡的殘余壓應(yīng)力；殘余拉應(yīng)力最大值處于焊縫邊緣；焊接件上層區(qū)域的最大殘余拉應(yīng)力小于焊接件下層區(qū)域。

4) FSW與傳統(tǒng)熔化焊相比，引入的殘余應(yīng)力較小，有助于延長工件壽命和提高服役性能。

感謝德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心Wimpory博士在中子衍射實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方面給予的支持和幫助。