Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能

张丹丹 曲文卿

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

杨模聪

(上海飞机制造厂，上海200436)

柴 鹏

(北京航空制造工程研究所中国搅拌摩擦焊中心，北京100024)

搅拌摩擦焊(FSW，Friction Stir Welding)是一种利用高速旋转的搅拌探头与工件摩擦产生的热量，使被焊材料局部塑化的新型固相连接工艺，尤其适用于连接常规熔焊工艺难于连接的航空航天用铝锂合金材料，可避免合金元素的烧损、气孔及凝固裂纹的产生，同时能提高接头的力学性能，减轻结构重量，降低制造成本［1-4］.FSW 过程节能环保、易于控制，应用于航空航天领域具有明显的经济和技术优势.

在航空航天结构中，“工”形、“Z”形和“L”形搭接结构非常普遍，采用FSW搭接技术代替传统的铆接，具有减重和提高结构整体性能的优势［5-6］.在FSW搭接结构中，抗疲劳断裂特性是评定结构件使用性能最重要指标之一，深入研究各种工艺参数、焊接缺陷、组织结构等因素对接头疲劳性能的影响，将为航空航天制造领域推广和应用FSW技术、建立合理有效的疲劳评定规范提供重要的依据［7-10］.

国外研究表明，FSW搭接接头性能不低于铆接，且界面成形对接头力学性能十分重要.研究认为搭接接头界面区域存在两个类似裂纹的缺陷，被Brent Christner等人定义为界面畸变(hooking)和减薄(thinning)，这些缺陷均是微裂纹或微孔洞的富集带，会导致搭接接头连接界面的减小，从而降低接头的强度和寿命.Raj Talwar等人通过对飞机结构件的失效评定认为，FSW搭接结构疲劳失效位置25%出现在前进侧界面畸变位置，75%在后退侧减薄位置出现裂纹［11］.本文针对 2 mm厚的Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头进行疲劳试验，绘制母材与接头的疲劳S-N曲线，分析界面成形缺陷对其疲劳性能的影响.

1 试验方法和材料

搅拌摩擦焊选用2 mm厚2099和Al-Li-S4铝锂合金轧制板材作为母材，采用焊机FSW2-4CX-006焊接获得“Z”型搭接接头，如图1所示.

图1 “Z”型搭接结构示意图

FSW搅拌头采用直径10 mm的双圆环轴肩和直径3.4 mm的圆锥形搅拌针，焊接工艺参数中旋转速度为800 r/m，焊速为200 mm/min，采用长度为2.8 mm和2.5 mm搅拌针进行焊接，分别得到搭接接头1和搭接接头2.母材Al-Li-S4的化学成分见表1.

表1 Al-Li-S4铝锂合金母材的化学成分

焊后沿垂直焊缝的方向截取试样，经打磨抛光后利用光学显微镜观察微观组织.拉伸试验选用标准中板形试样，试样宽度为30 mm，总长为190 mm，标距为70 mm，采用WDW3050型试验机进行拉伸.疲劳试验按照航标HB5287-96《金属材料轴向加载疲劳试验方法》在GZ-100C型高频疲劳试验机上进行，正弦波形，振频100Hz，应力比R=0.1.疲劳试样如图2所示，试样中部为焊缝，两侧受到疲劳拉伸循环应力作用.另外采用JSM-5800扫描电镜(SEM，Scanning Electron Microscope)观察试样的疲劳断口形貌，分析断裂位置.力学性能试验中每组试样5个，取平均值.

图2 疲劳试样

2 试验结果与分析

2.1 微观组织分析

如图3搭接接头的宏观形貌所示，搅拌针长度极大影响塑性材料的流动和热输入量，最终形成不同的焊核区形态.当搅拌针长度为2.8 mm时，焊核区塑性材料从前进侧流动到后退侧出现堆积(图3a).当搅拌针长度为2.5 mm时，塑性材料流动较均匀，在搭接界面位置形成典型的“洋葱环”结构(图3b).另外，在两种搭接接头的后退侧都形成“冷搭接缺陷”，这是由于后退侧的界面金属存在两个方向的流动，两个方向的材料在流动过程中出现交叉混合，材料顺着搅拌针向着焊缝内部流动，就会出现搭接界面平移的现象［6］.

进一步观察发现，搭接接头1前进侧搭接界面向下部 Al-Li-S4母材弯曲，在热机影响区(TMAZ，Thermal-Mechanically Affected Zone)出现“钩状缺陷”.同时在钩状尖端还发现3个不同方向的裂纹扩展，容易引起应力集中，在受到疲劳载荷时，应力集中区会发生微区循环塑性变形，并受到周围弹性区的约束，这种局部塑性循环区会导致疲劳裂纹的扩展，影响接头的疲劳寿命.另外，钩状缺陷使原始搭接界面深入到下部母材当中，令接头受拉承载的有效板厚减少，降低接头的力学性能(如图4a).通过图4b观察看出，当搅拌针长度变为2.5mm时，前进侧钩状缺陷的形状尺寸较接头1有了明显改善，即原始搭接界面沿90°方向扩展约0.05 mm，钩状尖端无裂纹扩展.已有研究表明:钩状缺陷是由塑性金属在垂直方向上流动所造成的界面畸变，常常出现在搭接接头中，与所选焊接工艺参数、搅拌头形状尺寸等因素有关［12］.

图3 FSW搭接接头的宏观形貌

a 搭接接头1

通过测试搭接接头2的显微硬度发现(如图5):焊核区的硬度低于 HAZ，仅为母材硬度的70%～80%，且前进侧 TMAZ硬度最低，说明TMAZ的钩状缺陷会降低接头硬度.另外由于TMAZ受到不平衡的热机作用，存在较大的残余应力、晶粒变形与粗大以及不均匀分布的析出相，且前进侧受到的剪切应力与组织变形程度均高于后退侧，因此前进侧的TMAZ硬度最低.

图4 搭接接头前进侧TMAZ的“钩状”缺陷

图5 FSW搭接接头2显微硬度

接头不同区域的硬度值变化，与不同的晶粒尺寸、析出强化相以及组织状态等因素有关，焊核区再结晶晶粒虽然较HAZ细化，但由于直接受到搅拌针的搅拌摩擦作用，峰值温度最高，沉淀相粒子将发生固溶、析出过程，影响焊核区硬度.

综上所述，采用不同长度的搅拌针带来不同的焊核区形态，也影响接头的界面成形性能.典型的界面缺陷——钩状缺陷的形状尺寸与搅拌针的长度有关，若搅拌针长度不适宜，容易导致金属材料流动不均匀，使TMAZ出现钩状缺陷，引起应力集中和裂纹扩展，降低接头的力学性能.另外，选择良好的焊接工艺参数是获得良好接头疲劳性能的前提.其中，不同的焊接工艺参数决定了不同的热输入量，这就在很大程度上决定了焊接过程中的冶金转变，如增溶作用、二次析出和沉淀相长大等，同时决定焊缝组织的强度，从而影响接头的疲劳性能.

2.2 搭接接头的疲劳试验

表2给出了Al-Li-S4母材及两种搭接接头的静力拉伸性能，在拉伸过程中，搭接接头的塑性变形能力较弱，屈服阶段不明显，接头的延伸率低，最高仅达到母材的24%.究其原因，主要是由于搭接接头前进侧存在“钩状缺陷”，引起应力集中，导致裂纹的萌生及扩展，同时减小了焊接板的有效承载厚度.而后退侧的“冷搭接缺陷”则会严重影响搭接接头的有效搭接宽度，使得搭接界面的承载面积减小，最终降低接头的力学性能.

另外，通过对比可以看出，搅拌针长度对搭接接头的拉伸力学性能有明显影响，搭接接头2的强度及延伸率较接头1分别提高了18%和16%，抗拉强度为467 MPa，达到母材的94%.

表2 母材与搭接接头拉伸性能

如图6所示，疲劳试验对比了不同搭接接头与Al-Li-S4母材在3个不同疲劳应力(即疲劳循环应力中最大应力)水平下的疲劳寿命.搭接接头1在较低的疲劳应力200 MPa条件下，疲劳寿命不超过2万次，说明搭接接头1的疲劳性能很差.当搅拌针长度改为2.5 mm时，搭接接头2的疲劳寿命有了明显提高，在280 MPa疲劳应力下，接头疲劳寿命达到6.2万次;但在200 MPa疲劳应力下，母材达到200万次未断，而接头2疲劳寿命仅为15万次.

图6 母材与搭接接头疲劳性能对比

图7建立了搭接接头2与Al-Li-S4母材的疲劳S-N曲线，分析可知:搭接接头在高疲劳应力水平下，疲劳寿命接近母材，但随着疲劳应力水平降低，接头疲劳寿命急剧下降，200万循环周次下的疲劳强度为80 MPa，仅是母材的35%.

图7 母材与搭接接头疲劳S-N曲线

根据断裂力学理论，一个含有初始裂纹(长度为a0)的构件，当承受静载时，只有当应力水平达到临界应力σc时才会发生失稳扩展.但如果构件承受疲劳循环应力作用时，初始裂纹一开始就会发生缓慢扩展，当裂纹长度达到临界裂纹长度ac时，构件就会发生破坏.故在高周疲劳范围，应力集中即TMAZ钩状缺陷位置，对于裂纹的萌生和扩展起决定性的影响，是发生疲劳破坏的薄弱环节，控制结构的疲劳寿命.

2.3 疲劳断口形貌

图8a和图8b分析认为，搭接接头1疲劳断裂是从前进侧的“钩状缺陷”起裂，疲劳源呈现线源特征，说明钩状尖端的裂纹引起缺口效应，导致局部塑性应变集中，引发疲劳裂纹的早期扩展.图8c为疲劳扩展区的疲劳条带以及垂直于扩展方向的二次裂纹，疲劳条带是疲劳断口典型的微观特征，其粗细间距与交变应力有近似对应的关系.图8d为瞬断区断口形貌，由于裂纹的不断扩展，使剩余面积逐渐减小，当剩余面积不足以承受外载荷时，裂纹就发生失稳扩展以至断裂.图中韧窝分布不均，细小且浅，说明瞬断区塑性变形少.

图8 搭接接头1疲劳断口(SEM)

图9 搭接接头2疲劳断口(SEM)

通过图9分析可知，搭接接头2的疲劳断裂从前进侧TMAZ起裂，呈现典型的单源特征，同时疲劳扩展区的疲劳条带明显，说明接头2的疲劳性能有所改善.由于TMAZ受到探针的剪切作用，晶粒发生较大变形，同时受到钩状缺陷的影响，硬度值最低，所以接头容易在TMAZ发生疲劳破坏.从图9d瞬断区形貌可以看出，韧窝是微孔聚集长大的结果，韧窝内大多包含一个夹杂物或第二相，图中韧窝细小且浅，存在撕裂棱.

3 结论

当采用转速为800 r/m，焊速为200 mm/min，搅拌针长度为2.5mm的工艺参数焊接时，接头的强塑性最佳，抗拉强度达到 467 MPa，为母材的94%.

采用不同长度的搅拌针焊接，产生了不同的焊核区形态，影响了接头的界面成形性能.典型的界面缺陷——“钩状缺陷”出现在前进侧的TMAZ，其形状尺寸与搅拌针长度有关.钩状缺陷容易引发裂纹的萌生及扩展，导致应力集中，减少接头的有效承载厚度，降低其力学性能.

搭接接头疲劳S-N曲线表明:在高疲劳应力水平下，搭接接头的疲劳寿命接近母材;但随着疲劳应力水平降低，接头的疲劳寿命急剧下降，200万循环周次下的疲劳强度为80 MPa，仅达到母材的35%.

搭接接头的疲劳断口分析表明:搭接接头在前进侧的TMAZ发生疲劳破坏，当“钩状”尖端无裂纹扩展时，接头的疲劳性能较好，疲劳源区呈现单点源特征且疲劳条带明显.

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