动车铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的研究❋

王 敏，郭淑兰，王海东

（长春工程学院 机电学院，吉林 长春 130012）

0 引言

随着人们对交通工具的要求越来越高，车体的轻量化、高速化成为了一个发展趋势。铝合金作为一种性能良好的轻质材料，目前在我国的轨道车辆制造中得到了大量的应用。但是常规熔焊的接头性能较低，难以满足轻质、高速的需求，因此，采用新技术解决铝合金焊接性较差的问题成为国内外研究的热点［1］。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）的问世从根本上解决了这一难题，采用FSW焊接铝合金等轻金属，降低了熔焊缺陷产生的可能性，提高了接头的性能。

1 实验材料与方法

实验用材为3mm厚的轧制6005A铝合金，母材的化学成分如表1所示。

表1 6005A铝合金化学成分（质量分数） %

把铝合金加工成200mm×50mm的试样，在FSW－3LM－002型焊机进行FSW，搅拌头直径为22 mm，搅拌针直径为6mm，长为8mm。焊接工艺参数为：焊接速度23.5mm／min，搅拌头旋转速度1 180r／min，搅 拌 头 倾 角 2.5°。使 用 CONROLLER－4890－100kN电液伺服疲劳试验机进行接头疲劳性能试验，其频率为0.02Hz～2 000Hz，采用恒定应力进行加载，加载方向垂直于焊缝方向，加载系数正弦波控制。疲劳断口分析在JSM－5500LV扫描电镜上进行。

2 实验结果的分析与讨论

2.1 金相分析

图1（a）中，右下角是母材区，晶粒粗大，中部白色区域为热机械影响区，该区域的晶粒非常细长并发生弯折变形，这是因为在热机作用下发生不同程度的塑性变形，晶粒与母材的原始组织取向呈一定的角度，热影响区金属没有受到机械搅拌的作用，与母材相比变化很小，只是由于高温晶粒比母材略大。图1（b）为焊核区，可以看出形成了细小的等轴晶粒，这是由于该区域温度高，金属在搅拌头的强烈搅拌摩擦作用下发生显著的塑性变形，温度较高，应变速率较大，使之不断地形成再结晶晶核［2］，并只发生有限长大，搅拌头对晶粒也有一定的破碎作用，因此在该区形成了细小、均匀的晶粒。

图1 焊缝的微观组织

观察图1（b），有明显的搅拌流线存在，可见典型的“洋葱环”形貌。“洋葱环”的形成主要和金属的塑性流动有关，焊接过程中搅拌针和肩轴作用使金属分层沿着后退侧迁移，另外应力的循环变化引起金属塑性变形也会使焊缝金属分层流动。层间新生成的晶核呈弥散分布，层间与层内晶粒形状不同，从宏观上看横剖面上就形成了“洋葱环”结构［3，4］。由于搅拌针区域摩擦热输入不足，在靠近轴肩区域和焊缝根部位置都没有搅拌针的直接搅拌作用，所以“洋葱环”一般位于焊缝的中部位置，在焊缝的上部和下部“洋葱环”逐渐消失。

2.2 XPS分析

用X射线光电子能谱仪分析了试样表面元素的原子价态，数据见图2。其中Al以两种价态存在，一种是单质，另一种是表面单质在空气中氧化生成Al2O3；Si也以两种价态存在，即单质和硅酸盐。

由图2可见，单质Al的峰位大概是在72eV，单质Si的峰位是99.4eV，在试样表面，Al和Si大部分都是以单质状态存在，但是也含有相当数量的氧化铝及硅酸盐，这说明FSW过程中试样表面有氧化。

2.3 疲劳曲线分析

对实验数据采用线性拟合的方法进行处理。对于FSW接头的高周疲劳性能按下式进行处理：

其中：Δσ为应力变化范围；N为应力循环周次；m为S－N曲线的斜率；C为材料常数。将上式两边取对数，得：

根据实验数据画出Δσ对N的关系曲线，见图3。

图2 试样的Al、Si高频XPS谱

图3 6005A铝合金的疲劳曲线

由图3可见：随着荷载循环周次的增加，试样的疲劳寿命下降；在循环周次相同时，FSW试样的疲劳强度低于母材，但是高于 MIG焊；当N＞107时，FSW试样疲劳强度为105MPa，略低于母材的120MPa，约为母材的87.5%。原因是FSW过程中材料塑性流动不连续，会在表面形成孔洞、钩等缺陷，从而成为疲劳裂纹源，疲劳裂纹随后在表面缺陷处开始萌生，之后就进入到裂纹扩展阶段。疲劳裂纹首先沿“洋葱环”扩展进入焊核区，由于“洋葱环”属于结构缺陷，位于疲劳裂纹的扩展区和瞬断区，这样它就为两个疲劳裂纹的连接提供了条件，从而降低接头的疲劳寿命。在前面微观组织分析中发现了焊核区存在“洋葱环”，刚好验证了这一分析。另外在FSW接头中由于存在表面氧化现象生成了Al2O3，在随后的焊接过程中由于强烈的搅拌作用，Al2O3破碎残留在焊缝里，导致在焊缝根部形成Z型缺陷，严重降低接头的疲劳寿命，这在前面的XPS分析中也得到印证。

2.4 疲劳断口分析

图4为疲劳断口形貌。由图4（a）可见，断口形貌是韧窝断口与准解理断口的混合。韧窝中分布着小的粒子及少量的夹杂物，一般情况，滑移系多的面心立方金属多为韧性断裂，而实验中出现了准解理断口，原因是接头中存在缺陷及非金属夹杂物，在应力的作用下与机体的塑性变形不协调，第二相从机体中剥离出来而形成［5］。图4（b）中，从左到右可以看到典型的疲劳断口的3个区：疲劳源、疲劳区和最后的瞬断区。疲劳源是疲劳裂纹的萌生地，它对缺陷的敏感程度非常高，由断口形貌可见，疲劳源内有气孔存在，由于疲劳源较小，该区比较平滑，没有断裂痕迹，该区连接处于弱连接状态，荷载变动时疲劳裂纹首先在这里萌发［6］。紧邻的狭长部分是疲劳区，是由疲劳裂纹的亚稳扩展形成的，由图4（b）的断口形貌可见，这一部分由于实验荷载的变动，在裂纹扩展的前沿留下了弧状的台阶痕迹。右边较宽的区域为疲劳裂纹扩展的瞬断区，这是裂纹最后失稳扩展时所形成的断口区域。它的断口比疲劳区粗糙，由于疲劳源有多个，在裂纹由表面向心部扩展时，瞬断区向中心位置移动。

图4 疲劳断口形貌

3 结论

（1）焊核区晶粒为细小等轴晶，热影响区范围窄且晶粒明显拉长，与母材分界不明显，晶粒有长大。

（2）FSW接头的疲劳强度约为母材的87.5%，当载荷应力为105MPa时，循环次数达到2.3×107。疲劳源靠近热影响区，断口形貌为韧窝与准解理的混合断口。

（3）FSW接头的疲劳断裂与根部缺陷有关，另外接头表面有Al2O3生成，在随后的搅拌中残留在焊缝里，使接头疲劳寿命低于母材。热影响区晶粒粗大也是接头疲劳断裂的主要原因。

［1］ 栾国红，郭德伦，张田仓，等.铝合金的搅拌摩擦焊［J］.焊接技术，2003，32（1）：1－4.

［2］ 曹丽杰，刘爱国，李培超.铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳断裂行为分析［J］.轻合金加工技术，2010，38（11）：45－48.

［3］ 徐韦风，刘金合，栾国红，等.厚板铝合金搅拌摩擦焊接头不同状态微观组织与力学性能［J］.金属学报，2009，45（4）：490－496.

［4］ 王希靖，达朝炳，李晶，等.搅拌摩擦焊缝中的洋葱环形成分析［J］.中国有色金属学报，2006（10）：35－37.

［5］ 董鹏，孙大千，李红梅，等.6005A－T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征［J］.材料工程，2012（4）：27－31.

［6］ 王大勇，冯吉才，刘会杰，等.Al－Cu－Li合金搅拌摩擦焊接头的微观组织和力学性能［J］.中国有色金属学报，2004，14（1）：69－73.