Influence of Different Offsets on the Mechanical and Fatigue Properties of Friction Stir Weld Lap Joints

不同偏移量对6005A-T6对搭接搅拌摩擦焊接头力学性能及疲劳性能的影响 Influence of Different Offsets on the Mechanical and Fatigue Properties of Friction Stir Weld Lap Joints first-author 刘　洋（1997—）男，在读硕士，主要从事轨道交通关键材料连接的研究。 刘　洋（1997—）男，在读硕士，主要从事轨道交通关键材料连接的研究。 corresp 许鸿吉，教授，E-mail：xuhongji@djtu.edu.cn。 许鸿吉，教授，E-mail：xuhongji@djtu.edu.cn。 xuhongji@djtu.edu.cn 大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028 大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028 School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China 在FSW过程中，由于待焊材料的变形或者操作失误等原因，可能发生搅拌针未对准接头中心线造成偏移，对接头质量产生不利影响，因而对偏移量的研究很有必要。采用搅拌摩擦焊对6005A-T6中空铝型材进行焊接，制备不同偏移量的对搭接搅拌摩擦焊（FSW）接头，并进行拉伸试验以及恒定载荷下的疲劳试验，探究不同轴肩偏移量对接头抗拉强度和疲劳性能的影响。结果表明：6种搅拌针轴肩偏移量下的试件抗拉强度值都分布在200±10 MPa附近，表明偏移量对抗拉强度的影响不明显，通过计算接头强度系数，发现6种搅拌针轴肩偏移量下的对搭接接头强度系数均高于0.7，可判定为合格；轴肩偏移为AS3 mm和RS1.8 mm下的两组试件，当最大载荷值为55 MPa时，均在指定寿命下未出现失效，可判定疲劳性能合格，而在较大载荷下，试验测试试件均在指定寿命内失效，断裂位置为热影响区和熔合线结合处，表明该位置的应力集中较大。 In the welding process, due to the deformation of the material to be welded or the operation error, the stirring needle may be misaligned with the center line of the joint, which may cause an offset, which will adversely affect the quality of the joint. Therefore, it is necessary to study the offset. Use friction stir welding to weld 6005A-T6 hollow aluminum profiles, prepare butt-lap friction stir welding (FSW) joints with different offsets, perform tensile tests and fatigue tests under constant load, and explore the effect of different shaft shoulders on the tensile strength and fatigue performance. The results show that the tensile strength values of the specimens under the offset of the shaft shoulder of the six stirring needles are distributed around 200±10 MPa, which indicates that the influence of the tensile strength is not obvious. By calculating the joint strength coefficients, it is found the butt-lap joint strength coefficients under the shoulder offset are all higher than 0.7, which can be judged as qualified; for the two groups of test pieces with shoulder offset of AS3 mm and RS1.8 mm, when the maximum load value is 55 MPa ,there is no failure under the specified life, and the fatigue performance can be judged to be qualified. Under a larger load, the test specimens all fail within the specified life. The fracture position is the junction of the heat-affected zone and the fusion line, indicating that the position is the stress concentration is greater. 搅拌摩擦焊 轴向偏移 抗拉强度 疲劳性能 friction stir welding axial offset tensile strength fatigue performance 前言 1 随着我国轨道交通装备制造水平的不断提高，对高速轨道列车的车体制造材料有了更高的要求，制造轻量化、更加节能环保的高速列车势在必行 ［ 1 1 ］ 。铝合金现已广泛应用于高速列车车体制造中，使用传统熔化焊接方式不仅会产生各种难以根除的焊接缺陷，如气孔、未焊透、夹杂以及接头软化等，而且较大的热输入还增大铝合金焊接结构的整体变形，最终增加企业在焊缝检测和装配精度控制方面投入的成本。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种热输入量较少的固相连接方法，相较于传统焊接方式可以有效避免铝合金焊接接头软化的问题并同时减小焊接变形，已被广泛应用于铝合金焊接中 ［ 2 2 - 5 5 2-5 ］ 。 目前已有许多搅拌摩擦焊接头的力学性能和疲劳性能的研究成果。Tsutomu Tanaka等 ［ 6 6 ］ 研究了低碳钢与A7075-T6铝合金的平板对接FSW，发现接头强度随着焊接界面上金属间化合物（IMC）厚度的减少而增加，在拉伸试验中，没有焊缝在铝基金属中失效，钢和铝之间的表面界面强度低于A7075-T6合金的接头强度。Yazdipour等 ［ 7 7 ］ 用FSW对5083-H321铝合金和316 L不锈钢进行平板对接试验，研究了转速、偏移量和搅拌头旋转方向对接头强度的影响，结果表明偏移量对接头强度的影响十分显著。Masoumeh Pouralia ［ 8 8 ］ 和Dehghani ［ 9 9 ］ 分别研究了FSW参数对IMC形成的影响，认为形成的IMC对焊接强度没有损害，一些缺陷如空隙是导致焊接强度下降的原因。Sun等 ［ 10 10 ］ 对7075铝合金FSW接头的力学性能和疲劳性能进行分析，并研究了不同应力比下的断裂位置。 基于为企业生产和结构设计与评估提供数据基础的目的，本文针对不同偏移量对FSW接头力学性能及疲劳性能的影响进行了重点研究。对6005A-T6中空铝型材进行搅拌摩擦焊工艺试验，制备不同偏移量缺陷的焊接试件，通过拉伸、扫描、恒定载荷下的疲劳试验研究不同偏移量的对FSW接头力学性能及疲劳性能的影响。 试验材料及方法 1 试验材料为4.5 mm厚度的6005A-T6中空铝型材板，尺寸500 mm×300 mm×4 mm，供货状态为T6态，其化学成分和力学性能如 表1 表1 、 表2 表2 所示。采用航天工程装备有限公司HT-JM20×8/2型搅拌摩擦焊机，搅拌头形状为单轴肩反螺纹搅拌头，轴肩直径12 mm，搅拌针长度4.2 mm，搅拌头倾角为2°。焊缝接头形式为典型的对搭接接头，焊缝形式为4Π，如 图1 图1 所示。为避免因下压量造成的焊缝减薄对力学性能的影响，焊缝位置处设计有2 mm厚的凸台，焊前使用丙酮擦拭焊缝接口，去除油污及杂质。 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 0.59 0.18 0.09 0.12 0.57 0.01 0.02 0.01 屈服强度 R p0.2 /MPa 抗拉强度 R m /MPa 伸长率 A /% ≥200 ≥255 ≥6 理论上焊前需要将搅拌针对准接头的中心线，但在实际生产过程中，搅拌针会不可避免地向前进侧（AS）或者后退侧（RS）发生偏移，造成搅拌针无法对齐焊缝中心线。其次，在焊接过程中如果出现焊接变形以及夹具设计不合理，也可能导致搅拌针无法对齐焊缝中心线造成偏移。本次试验通过设计不同方向的偏移量，判断不同尺寸和不同方向的偏移量对焊缝力学性能以及疲劳性能的影响。焊前不倒角、不打磨，焊接工艺参数如 表3 表3 所示。 注： ①AS为前进侧，RS为后退侧。 试板编号 偏移量/mm ① 搅拌头倾角/（°） 组装间隙/mm 压入量/mm 搅拌头转速 ω /（r·min -1 ） 焊接速度 v /（mm·min -1 ） PYA-1 AS0.5 2 0 0.25 1 500 1 100 PYR-2 RS0.5 2 0 0.25 1 500 1 100 PYA-3 AS1.8 2 0 0.25 1 500 1 100 PYR-4 RS1.8 2 0 0.25 1 500 1 100 PYA-5 AS3.0 2 0 0.25 1 500 1 100 PYR-6 RS3.0 2 0 0.25 1 500 1 100 焊接完成后，根据标准ISO4136-2001在WDW-300 kN 型电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为5 mm/min。拉伸试件尺寸如 图2 图2 所示。恒定载荷脉动拉伸疲劳试验在PLG-100型微机控制高频疲劳试验机上进行，疲劳试验机技术规格为：负荷精度±1%，动负荷平均波动度±1%，动负荷振幅波动度±2%。试验循环应力比 R =0.1，指定循环寿命取l×10 7 次，指定疲劳强度为55 MPa，疲劳试件如 图3 图3 所示。拉伸和疲劳试验完成后，采用JEOL-6360LV型SEM扫描电镜对拉伸及疲劳断口进行扫描。 试验结果及分析 1 拉伸试验及断口形貌分析 2 6种轴向偏移尺寸下的接头抗拉强度如 表4 表4 所示，柱状图如 图4 图4 所示。 注： ①接头强度系数为接头强度与母材强度之比。 试件号 轴向偏移尺寸 /mm 试件实际尺寸 /mm 抗拉 强度 R m /MPa 平均值 /MPa 接头强度系数 ① 断裂 位置 PY-1-1 2 AS0.5 2 20×4.5 209.1 2 210.25 2 0.82 2 HAZ PY-1-2 211.4 PY-2-1 2 RS0.5 2 20×4.5 201.3 2 199.60 2 0.78 2 HAZ PY-2-2 197.9 PY-3-1 2 AS1.8 2 20×4.5 210.2 2 206.15 2 0.81 2 HAZ PY-3-2 202.1 PY-4-1 2 RS1.8 2 20×4.5 217.9 2 212.85 2 0.83 2 HAZ PY-4-2 207.8 PY-5-1 2 AS3.0 2 20×4.5 204.9 2 205.55 2 0.81 2 HAZ PY-5-2 203.2 PY-6-1 2 RS3.0 2 20×4.5 195.3 2 198.7 2 0.78 2 HAZ PY-6-2 202.1 可以看出，6种轴向偏移尺寸下的抗拉强度稳定在（200±10） MPa范围内，表明这6种搅拌针轴向偏移尺寸对试件的抗拉强度值影响较小。此外，对于搅拌摩擦焊铝合金接头来说，接头强度系数 T =0.7可定义为合格。由表可知，6种轴向偏移尺寸下的试件对搭接接头强度系数均高于0.7，接头强度合格。值得指出的是，上述接头失效位置均出现在HAZ附近，这是因为HAZ没有搅拌针的机械搅拌作用且受到较多的焊接热输入，在焊接热的作用下HAZ发生过时效现象，析出相长大，导致HAZ力学性能相对于其他区域显著下降。文献［ 7 7 ］指出，搅拌针的偏移造成异种金属接头处金属间化合物厚度和成分发生改变，偏移量会对接头强度有较为显著的影响。但本试验被焊材料为同种铝合金，焊接过程中不会产生金属间化合物，且搅拌头转速和焊接速度的合理匹配使得接头处形成了有效连接，因此不同方向的小尺寸偏移对接头抗拉强度影响不明显。 采用JEOL-6360LV型SEM电镜对断口中心及边缘进行扫描，断口微观形貌如 图5 图5 所示。从30倍全貌可以看出，拉伸断口表面呈纤维状，未出现夹杂及焊接缺陷；对断口局部位置放大至1 000倍可以看出，断口中心及边缘分布着密集排列的等轴韧窝，由此可以判断，拉伸试件断裂形式为韧性断裂。 1,2,3; 疲劳试验及断口形貌分析 2 为节省试验成本，取AS 3 mm和RS 1.8 mm两种偏移量下的焊接接头进行疲劳试验，并进行断口形貌分析。AS 3 mm的疲劳试验结果如 表5 表5 所示，断裂试样和断口微观形貌分别如 图6 图6 、 图7 图7 所示，RS 1.8 mm的疲劳试验结果如 表6 表6 所示，断裂试样和断口微观形貌如 图8 图8 、 图9 图9 所示。可以看出，当最大载荷值为55 MPa时，两种偏移量的10个试件在指定寿命内均未失效，这表明该偏移量下的试件疲劳强度值高于55 MPa，而当最大载荷为130 MPa时，试件在指定寿命内出现断裂，且断裂位置在热影响区和熔合线的结合处，这表明在高应力下该位置的应力集中较大，易于开裂。 试验类别 试件 数量 最大载荷/MPa 断裂 情况 断裂时循环次数/×10 7 断裂 位置 2 恒定载荷下脉动 拉伸疲劳试验 10 55 未断 1 — 1 130 断 0.160 11 HAZ 1;2;3;4; 试验 类别 试件 数量 最大载荷/MPa 断裂 情况 断裂时循环/×10 7 断裂 位置 2 恒定载荷下脉动 拉伸疲劳试验 10 55 未断 1 — 1 130 断 0.182 03 HAZ 1;2;3;4; 由 图7 图7 可以看出，试件断口存在启裂区以及扩展区，且在此区域存在着清晰的疲劳辉纹。启裂区位于试件表面靠近热影响区一侧，启裂位置存在局部未填满，造成启裂位置在疲劳试验过程中存在应力集中现象。因此，疲劳试验中试件断裂位置位于此区域。断口终断区呈纤维状，中心及边缘分布着大量的大小不一的等轴韧窝，终断区位置断裂形式为韧性断裂。 RS 1.8 mm疲劳断口同样存在启裂区以及扩展区，并且疲劳辉纹清晰可见。不同于AS 3.0 mm疲劳断口，RS 1.8 mm未出现未填满缺陷；由于热影响区是整个焊接接头最为薄弱的部分，因此，启裂区位于此区域。断口终断区呈纤维状且分布着大量大小不一的等轴韧窝，终断区断裂形式为韧性断裂。 结论 1 （1）拉伸试验结果表明：不同尺寸及不同方向偏移量对6005A-T6对搭FSW接头抗拉强度影响不明显，接头的强度系数均高于0.7，拉伸性能良好。 （2）对AS 3 mm和RS 1.8 mm两种工艺下的试件进行疲劳试验，结果表明：55 MPa恒定载荷下，两组试件均未在指定寿命内发生断裂，可判定FSW接头疲劳性能合格。 （3）断口扫描试验结果表明：拉伸断口整体呈纤维状，中心及边缘分布着大量的等轴韧窝，可判定断裂形式为典型的韧性断裂；接头疲劳断口启裂区位于试件热影响区表面，扩展区疲劳辉纹清晰，终断区存在着大量韧窝，最终断裂形式为韧性断裂。 参考文献 钮旭晶 ， 鲁二敬 ， 郁志凯 ， 等 . 搅拌针不同偏移量对6082-T6铝合金接头劳性能的影响 ［J］. 制造技术与机床 ， 2017 （ 07 ）： 146 - 148 . 搅拌针不同偏移量对6082-T6铝合金接头劳性能的影响 NIU Xujing ， LU Erjing ， YU Zhikai ， et al . 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