铝合金型材对搭接搅拌摩擦焊接头中Hook缺陷的安全评定

冯浩 刘泽鹏 张红 闫志峰 董鹏

摘要：基于断裂力学理论对铝合金型材对搭接搅拌摩擦焊接头中Hook缺陷进行安全评定，并通过疲劳试验进行验证。金相显示Hook缺陷的本质是搭接面在搅拌头剧烈搅拌作用下向上迁移的结果，显现为裂纹的形式。将Hook缺陷归一化为延伸到焊缝内部的单边裂纹，裂纹扩展速率线性拟合得出应力强度因子幅度门槛值ΔKth为2.509 MPa·m1/2。依据裂纹扩展条件，得到评定Hook缺陷疲劳扩展的缺陷尺寸-应力幅关系曲线。疲劳试验结果与理论Hook缺陷临界扩展应力幅值有一定的误差，误差平均值为9.4%，整体趋势与理论曲线吻合度较好，可以将该理论公式应用到Hook缺陷疲劳扩展临界应力幅的预测中，对不同工作应力幅下接头中Hook缺陷进行安全评定。

关键词：铝合金;对搭接搅拌摩擦焊;Hook缺陷;门槛值;临界应力幅

中图分类号：TG457.14      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）04-0026-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.05

0    前言

6005A-T6铝合金具有良好的强度、可成形性和耐腐蚀性能，因其挤压成形性能优异而被应用于型材构件的生产，是标准动车组列车车体型材的主要选择。这种型材铝合金的连接工艺主要包括铆接、熔化焊、压力焊等[1]，若进行铆接，可以保证连接强度，但是由于加入了除母材外的新材料，车身质量增加，不利于轻量化。若进行普通的熔化焊焊接，铝合金大的线膨胀系数会带来气孔、夹渣及热裂纹等缺陷，明显降低接头强度和服役下的疲劳性能。搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，FSW）作为一种新型固相连接技术，能较好地避免上述问题，可应用于所有主要系列铝合金的焊接，是铝合金优先选择的焊接方法[2]。

使用单轴肩搅拌摩擦焊焊接型材构件时，如采用对接形式，需要在背部增加支撑垫板，过程较为繁琐且易导致焊接不稳定，因此设计了一种对搭接接头形式[3]，型材自带支撑搭接垫板。但由于搭接面过长，在搅拌针的搅拌下，一部分搭接面焊接形成焊核区，一部分则不能完全焊接，被称作Hook缺陷[4]（也称吊钩缺陷），减小了上板的有效焊接厚度，相当于在搅拌区中形成了潜在的裂纹扩展路径[5]。目前一般认为Hook缺陷是由氧化物和局部冶金区域组成，光镜下呈现裂纹状，缺陷的起始段一般为近似直线，尾部则既有向上偏移也有向下偏移[6]。Hook缺陷的几何形状随焊接速度变化而变化，以较低的焊接速度向上偏转到搅拌区中，后退侧上的Hook缺陷在焊接速度较高时向下延伸到底部搅拌区[7]。另外，有学者建立了焊接参数与力学性能的数学关系，随着搅拌针长度的增加，接头抗剪强度呈现先降低后提高的趋势[8]。

目前的研究主要集中在Hook缺陷的形成规律和对常规力学性能的影响。Hook缺陷的存在对接头的疲劳来说是一个大的安全隐患，为此文中通过光镜观察缺陷形貌并测量尺寸，通过裂纹扩展速率试验确定应力强度因子幅度门槛值，以断裂力学理论为基础对Hook缺陷疲劳行为进行评定，最后通过脉动拉伸疲劳试验验证结果，建立Hook缺陷焊接接头安全评定方法。

1 试验材料与方法

试验材料为6005A-T6铝合金型材，厚度16 mm，供货状态为固溶处理+人工时效，其化学成分和力学性能如表1、表2所示。

试验采用对搭接搅拌摩擦焊方式对6005A-T6铝合金型材进行焊接对搭接形式实物横截面如图1所示。焊接前使用砂纸打磨待焊焊缝两侧，并使用酒精擦拭，采用刚性夹具将型材底部固定，保证焊接过程中焊缝两侧对齐，对搭接面紧密贴合，焊接速度300～600 mm/min，转速400～700 r/min。

焊接完成后，沿垂直于焊缝方向线切割加工金相试样、裂纹扩展试验紧凑拉伸标准试样（CT试样）、疲劳试样，铣去加强筋部分。金相试样和疲劳试样取样位置如图2所示，金相试样经过抛光和Keller试剂腐蚀后在LEICA DM2700M型显微镜下观察缺陷形貌，裂纹扩展试验和疲劳试验在PLG-200D高频拉压疲劳试验机上进行。

2 结果与讨论

2.1 Hook缺陷微观特征

Hook缺陷形貌如图3所示。从接头横截面（见图3a）可以明显看到Hook缺陷的存在，但无法精确获得缺陷尺寸信息。进一步采用光学显微镜对缺陷进行表征，拼接的放大100倍光镜照片如图3b所示，可以看出，Hook缺陷自搭接面边缘开始，终止于热机械影响区/焊核区边界处，“ 钩 ”朝上，Hook缺陷宽度从宏观尺寸一直延伸到肉眼不可见的微观尺寸（见图3c），其尖端有钝化特征（见图3d），相比于尖裂纹，钝化后的尖端应力强度因子下降，阻碍裂纹继续扩展，对力学性能恶化的影响显然要小;根据ISO 25239-5：2011搅拌摩擦焊 铝 质量检验要求中对Hook缺陷尺寸测量的规定，图中缺陷的尺寸为660 μm;可见Hook缺陷本质上是未焊合形成的缺陷，显现为裂纹形式，并且与原始搭接面有着密切关系：处于焊核区的搭接面在强烈的搅拌作用下消失，但在焊核区外，这些搭接面未能发生有效连接，只在焊接热-力作用下产生变形，距离焊核区越近，向上弯曲变形程度越大，Hook缺陷的存在使得搭接部位和母材之间形成明显的分界面，两侧的组织和成分不均匀且不相互结合。

2.2 含Hook缺陷接头的疲劳评定

由上述分析可知，Hook缺陷本质上是未焊合形成的缺陷，显现为裂纹形式，对此，可以将其归一化处理为从接头表面一直延伸到焊缝内部的单边裂纹，动载下容易在Hook缺陷尖端发生疲劳扩展。因此，可以運用断裂力学理论依据裂纹扩展速率中裂纹扩展应力强度因子幅度门槛值，根据应力强度因子计算式推导得出扩展临界应力幅值公式，以裂纹不发生疲劳扩展的条件进行抗扩展评定[9]。

对含Hook缺陷接头进行疲劳试验，Hook缺陷是沿着搭接面并向焊核区内扩展，故在裂纹扩展速率试验中CT试样的缺口选取焊缝中偏向搭接面一侧的位置，如图4所示。

通过裂纹扩展速率试验，可以得到裂纹扩展速率的a-N曲线（见图5），不论施加力的大小，扩展后期斜率都大于前期，表明随着裂纹的扩展，扩展速率逐渐增加，裂纹扩展的状态从稳态逐渐变为非稳态。对比三种施加力下的裂纹扩展变化可以发现，施加力越大，裂纹的扩展速率越快。

依据图5的a-N曲线可以得到描述疲劳裂纹扩展性能的da/dN-ΔK关系图，如图6所示，其中da/dN为裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子幅度。将不同趋势范围内的点线性拟合，可表示出三个阶段，不同斜率的直线对应裂纹扩展的低速率阶段、中速率阶段和高速率阶段。低速率区的线性拟合直线方程为：

da/dN=4.141 69×10-5ΔK-1.038 21×10-4          （1）

Paris公式拟合方程为：

da/dN=10-9.054（ΔK）4.002                                        （2）

裂纹扩展速率近似趋于0即认为裂纹不扩展，这里近似取扩展速率da/dN=10-7m·Cycles-1，依据式（1）求得结果ΔK为2.509 MPa·m1/2，该值为描述疲劳裂纹扩展性能的参数应力强度因子幅度门槛值ΔKth，在扩展低速率区，裂纹不发生疲劳扩展的条件[10]：

ΔK<ΔKth                                                       （3）

将ΔKth代入应力强度因子公式                   ，可推导得出裂纹尺寸与扩展临界应力幅的函数关系：

式中 a为Hook缺陷尺寸;Δσmax为扩展临界应力幅。依据该函数关系，可确定任意尺寸Hook缺陷的疲劳扩展临界应力幅，工程应用中可以依据不扩展条件对Hook缺陷进行安全评定。

同理，依据Paris公式拟合方法得到的不扩展条件为：

2.3 Hook缺陷疲劳扩展试验验证

对在工艺试验中获得的Hook缺陷接头，选取疲劳试样两侧位置的金相进行光镜观察并测量缺陷尺寸，以两者平均缺陷尺寸作为疲劳试样所含Hook缺陷尺寸，结果如表3所示。

通过疲劳试验得到相应条件下的Hook缺陷扩展临界应力幅值，与理论曲线的对比如图7、表4所示。可以看出，依据Paris公式拟合得到的Hook缺陷不扩展条件与实际结果误差较大。而运用线性拟合预测结果与实际结果吻合程度较好，且当Hook缺陷尺寸越小，理论值和试验值误差较小;Hook缺陷尺寸越大，误差较大。试验中误差绝对值平均为9.4%，在可控范围内，可以依据式（5）来评定实际工作中在不同应力幅下，含Hook缺陷的接头能否安全工作不发生疲劳扩展。

3 结论

（1）对搭接接头中Hook缺陷的本质是未焊合形成的缺陷，显现为裂纹形式，Hook缺陷起源于原始搭接面，尖端终止于焊核区和热机械影响区边界处，是焊接过程中剧烈的搅拌作用导致搭接面向上迁移的结果。

（2）通过线性拟合和Paris公式拟合裂纹扩展速率，根据裂纹不发生扩展条件，得到Hook缺陷不扩展的应力幅条件。

（3）依据Paris公式拟合得到的Hook缺陷扩展应力幅预测值与实际结果误差较大，而疲劳试验结果与线性拟合扩展速率推导得到的Hook缺陷扩展临界应力幅公式曲线吻合较好，误差绝对值平均为9.4%。

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收稿日期：2021-01-18

基金项目：国家自然科学基金青年项目（51505321）

作者简介：冯 浩（1996—），男，硕士，主要从事搅拌摩擦焊的研究。E-mail：fenghao0155@link.tyut.edu.cn。

通訊作者：董 鹏，博士，副教授，主要从事焊接结构的疲劳与断裂和功能材料的微纳连接方面的研究。E-mail：dongpeng@tyut.edu.cn。