铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

魏艳妮，李京龙，黄 甫，李雪飞

(西北工业大学 摩擦焊接陕西省重点实验室，陕西 西安 710072)

焊接工艺

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

魏艳妮，李京龙，黄 甫，李雪飞

(西北工业大学 摩擦焊接陕西省重点实验室，陕西 西安 710072)

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的分布规律，分别测量接头处垂直、平行于焊缝的残余应力，并进行了计算分析。结果显示，搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直还是在平行焊缝方向的均承受压应力，且随小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊缝方向的残余应力呈现出周期性分布，且它们在前进侧的周期相比于后退侧较小；残余应力在焊缝两侧呈不对称分布，后退侧应力值较高，其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用区域边缘处，其值分别为93 MPa和100 MPa。

搅拌摩擦焊接；小孔释放法；残余应力

0 前言

搅拌摩擦焊(Friction stir welding)是由英国焊接研究所(TWI)于1991年开发的新型固相连接技术[1]，它是利用搅拌头高速旋转并将搅拌针挤入两块对接板材的接缝处，搅拌针搅动接缝两侧的材料，产生塑性流变和混合；并在轴肩的作用下将搅动变形的材料传输到搅拌头后侧并同时施加锻造作用，从而形成密实无缺陷的焊缝[2]。搅拌摩擦焊自发明至今，在国内外大量实验研究的基础上，已经在焊接机理、适用材料、焊接设备及工程化应用方面取得了很大进步[3]。搅拌摩擦焊接头的残余应力是搅拌摩擦焊焊接结构完整性评定的重要方面，其数值和分布形态对焊接结构的静载强度、疲劳强度、抗脆断能力、刚性和尺寸稳定性、抗应力腐蚀开裂及高温蠕变开裂的能力都会产生重要影响，尤其是使焊接结构在服役期间产生失稳与开裂，很大程度上缩短了构件的使用寿命。因此，为了保证焊接结构的可靠性，改善其使用性能，测定并掌握搅拌摩擦焊接头残余应力在焊接结构中的分布规律就显得十分必要。

通常搅拌摩擦焊接过程中热输入量低，可得到比熔化焊接头较低的残余应力。但在搅拌摩擦焊接过程中，接头残余应力的形成与熔化焊有很大不同，不仅受焊接温度场影响，还有其他因素如机械搅拌的作用以及比较强的夹具约束等，使搅拌摩擦焊接头残余应力的形成机理和分布规律变得复杂[4]。当前国内外研究者对搅拌摩擦焊接头的残余应力研究取得了一定成果。从试验方面来看，Sutton等人[5]测试了2024铝合金搅拌摩擦焊接头的残余应力，得到接头纵向残余应力最大值为105 MPa。Staron等人[6-7]对2024铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力进行研究，得到接头纵向残余应力最大值分别为130 MPa和170 MPa。不同的研究者得到的结果之间相差较大，这是因为目前对搅拌摩擦焊接头残余应力的分布规律和形成机理的认识并不明晰。小孔释放法是由J.Mathar于1934年提出的，后经W.Soete和R.Vancombrugge等学者的发展，现已得到广泛应用，它具有操作简便、测量方便、对构件损伤程度小等特点[8]。它是用钻孔工具在要测试残余应力的部位加工一个小孔，由于其残余应力释放，引起了残余应力的重新分布。测量小孔附近由于小孔加工而引起的应变释放量，通过弹性力学计算即可换算出小孔原有的残余应力值。小孔法简单易行、测量精度高，在焊接残余应力的测试中得到了广泛应用[9]。

在此利用小孔释放法成功地对6061-T5铝合金板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力分布规律进行了研究，并分析测试结果。

1 实验

实验设备主要有Z4006台式钻床、CM-1L-10型静态电阻应变仪和计算机(见图1)、BE120-2CAK电阻应变花。测试材料为搅拌摩擦焊接(FSW)的铝合金6061-T5，厚2 mm。采用线切割方法将6061-T5焊后板加工成30 mm×210 mm矩形试样，如图2所示。测量采用CM-1L-10型静态电阻应变仪和计算机。实验在常温下进行，采用BE120-2CA-K电阻应变花和502瞬间强力胶水贴片，钻孔直径2 mm，应变花的贴片位置(即被测点的位置)距焊缝中轴线的距离为-32mm、-23mm、-15mm、-12mm、-5mm、0 mm、3 mm、10 mm、18 mm、28 mm、34 mm(负号表示贴片位置在前进侧)，如图3所示。每测试一个点之前，必须将静态应变仪接通电源预热30 min。钻孔停止后，每隔5 min记录一次应变仪读数，待读数稳定后，取四次数据的平均值作为测试结果，每个测试点的测量深度分别为0.5 mm、1mm、1.5 mm和2mm。试验测得的数据用Excel办公软件进行处理，计算焊接残余应力。

图1 CM-1L-10型静态电阻应变仪和计算机Fig.1 CM-1L-10 static resistance strain indicator and computer

图2 被测件外观Fig.2 Specimen external view

2 实验结果

6061-T5接头试样的残余应力分布如图4所示，其中σx、σy分别为垂直、平行于焊缝的残余应力。由图4可知：(1)σx、σy均为负值，表明焊缝及其附近区域在垂直和平行于焊缝的方向都承受压应力；(2)σx、σy在焊缝两侧均呈现出周期性分布，并且这一分布大致为轴对称形式(以焊缝中心线为对称轴)，即焊缝的前进侧与后退侧的残余应力分布基本相同；(3)随着小孔深度由0.5 mm增至2 mm，压应力σx、σy均逐步增加。为便于分析，计算每一测量位置不同深度的σx、σy平均值，如图5所示。由图5可知，σx、σy均为压应力，其最小值约7.5 MPa，最大值均位于后退侧，且分别达到93MPa和100 MPa。在上述压应力的周期性分布中，前进侧比后退侧的周期小。另外，在焊缝中轴线也出现了较大的压应力。由图4、图5可知，就接头试样而言，σx、σy的最大绝对值位于焊缝(图4、图5中灰色区域)搅拌头轴肩作用边缘处，即热力影响区(或热影响区)附近，表明这一区域是接头试样的薄弱区，所以疲劳试验过程中此处出现断裂的概率最大，同时还可看出这种断裂在后退侧热力影响区出现的概率比前进侧大。

图3 6061-T5接头试样残余应力测量贴片位置Fig.3 The patch location of residual stress

3 残余应力分析

与铝合金熔化焊接头纵向残余应力对称的“M”形分布相比，搅拌摩擦焊接头焊缝两侧的横向和纵向残余应力分布均表现出明显的不对称性。这是因为在熔化焊过程中，工件主要受到焊接热源的作用，内部产生了不均匀的温度场，从而导致工件发生不均匀的塑性变形而产生内部应力；而在搅拌摩擦焊过程中，除了焊接热源作用之外，在前进侧和后退侧工件还要受到方向相反的、来自搅拌头的机械作用力，从而影响到焊接应力、应变的产生和演变。距离搅拌头较远的焊缝区域处于较低温度并且未受搅拌力影响，材料的最终残余应力状态主要受温度场和散热条件控制已基本确定，因此残余应力状态受搅拌头作用力的影响主要是在搅拌头轴肩边缘一定距离范围内、处于较低温度并且受到搅拌力影响的焊缝区域。该区域的材料在搅拌头经过之后向周围散热，温度降低从而发生纵向收缩；但收缩受到两侧材料的约束，产生纵向拉应力；同时又受到搅拌头纵向机械压缩的作用，将产生纵向机械压应力，因而在后退侧轴肩边缘产生的机械压应力最大。各个区域瞬时应力、应变演变过程，以及各机械力的传递过程机理等问题还有待进一步深入探索。

需要指出的是，尽管进行残余应力测量时，被测试件经过了线切割(见图2)，但是其残余应力依然存在，这与熔焊时的情况不同(熔焊件经切割后，其中的残余应力会被释放)。原因主要是FSW接头中残余压应力产生原因类似于喷丸处理，即残余压应力是因FSW过程中局部强烈塑变而产生，故当残余应力的局域平衡未被破坏时(即试件不是过窄时)，此残余压应力便会存在；而熔焊时，焊缝中的残余应力是在被焊件整体中寻求平衡，因此一旦被焊件的整体性被破坏，则残余处应力会部分或全部释放。

图4 6061-T5接头试样的残余应力分布Fig.4 Residual stress distribution of 6061-T5 joint

4 结论

(1)搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直于焊缝方向还是在平行于焊缝方向均承受压应力，且均随小孔深度的增加而增加。

图5 6061-T5接头不同深度平均残余应力的分布Fig.5 The average residual stress distribution of 6061-T5 joint with different depth

(2)垂直焊缝方向和平行焊缝方向的残余应力均呈现出周期性分布，且它们前进侧的周期相比于后退侧的都较小；残余应力在焊缝两侧呈不对称分布，后退侧应力值较高，其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用边缘处，分别为93 MPa和100 MPa。

(3)热力影响区(或热影响区)附近的压应力绝对值最大，表明这一区域为接头试样的薄弱区。

[1] Thomas W M，Needlham J C，Dawes C J，et al.Friction stir butt welding[P].International patent application number PCT／GB92／02203 and GB patent application 9125978.8，1991-12-06.

[2] Pao P S，Lee E，Feng C R，et al.Friction stir welding and processing II[M].TMS，Warrendale，PA，USA，2003.

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

[4]李 亭，史清宇，李红克，等.铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力分布[J].焊接学报，2007，28(6)：105-108.

[5] Sutton M A，Reynolds A P，Wang D Q，et al.A study of residual stresses and microstructure in 2024-T3 aluminum friction stir butt welds[J].Journal of Engineering Materials and Technology，2002，124(2)：215-221.

[6]Staron P，Kocak M，Williams M，et al.Residual stress in friction stir-welded Al sheets[J].Physica B：Condensed Matter，2004，350(1-3)：491-493.

[7] Staron P，Kocak M，Williams S，et al.Residual stress distributions in friction stir welded Al sheets determined by neutron strain scanning[C].ASM Proceedings of the International Conference：Trends in Welding Research，2002：253-256.

[8]赵海燕，陈岳军，史耀武，等.焊缝区残余应力的测试[J].焊管，1997，20(4)：12-17.

[9]陆才善.残余应力测试：小孔释放法[M].西安：西安交通大学出版社，1991.

Test of residual stresses for the joint of aluminum alloy friction stir welding

WEI Yan-ni，LI Jing-long，HUANG Fu，LI Xue-fei
(Shanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

In this paper，the residual stresses for friction stir welded 2 mm thick 6061-T5 aluminum alloy sheets had been investigated by using mathar method.The residual stresses perpendicular and parallel to the weld-path were measure respectively.The results showed that the residual stresses both perpendicular and parallel to the weld-path are all compressive stress，and the value of compressive stress become bigger as the depth of little hole increases.Additionally，both the compressive stresses are shown periodic distribution，and the periods of advancing side are smaller than the retreating side's.The residual stresses of weld joint two sides is not symmetrical，and retreating side residual stresses is higher，which the maximum are 93 MPa and 100 MPa respectively which present to the edge of shoulder.

friction stir welding；mathar method；residual stress

TG453+.9

A

1001-2303(2012)04-0054-04

2010-11-30

西北工业大学科技创新基金资助项目(2007KJ01006)

魏艳妮(1985—)，女，陕西渭南人，硕士，主要从事焊接工艺的研究工作。