铝合金搅拌摩擦焊疲劳强度研究

明德涵 王召勇

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

0 引言

自1991年英国焊接所（TWI）发明搅拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）以来，搅拌摩擦焊作为1种固态焊接方法，具有绿色、环保、接头强度高以及焊接变形小等优点，受到了国内外的广泛关注，被大量应用于航空航天、船舶、轨道交通等领域[1]。同时，在这些行业中，铝合金因为其具有比强度高、塑性好和耐腐蚀性强等优点，也被大量使用。

铝合金的广泛应用使其连接方式的选取成为热点问题，而目前金属材料的连接方式主要有铆接和焊接2种形式。与铆接相比，搅拌摩擦焊既节省了铆钉安装的时间，又减轻了结构重量，对飞行器结构设计具有重要意义。同时，搅拌摩擦焊作为1种固态塑性连接方法，可以避免传统焊接方式带来的气孔、夹渣等缺陷，焊后接头残余应力较低、变形较小，具有较好的拉伸、弯曲和力学性能[2]。因此，作为1种新兴的连接方式，搅拌摩擦焊在金属材料的连接方面具有重要的应用价值，受到世界工业国家的重视。

到目前为止，对于搅拌摩擦焊的研究主要集中在工艺参数、材料和力学性能方面，对于搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能研究较少。因此，该文通过拉伸疲劳试验，得到了铝合金搅拌摩擦焊和点焊试验件的疲劳性能，分析得到铝合金搅拌摩擦焊和点焊试验件的平均疲劳极限，为铝合金搅拌摩擦焊的广泛应用奠定了基础。

1 试验方法

试验件所用材料为2A12铝合金，抗拉强度为390 MPa。试验件主要包括搅拌摩擦焊和点焊2种连接形式，每种连接形式各3件。所有试验均在室温下MTS810材料试验机上完成。

如图1所示，采用搅拌摩擦焊设备将两块铝合金薄板以搭接方式焊接在一起，图中黑色区域为焊缝，焊缝长度为120 mm，搭接宽度为18 mm，倒角半径为120 mm，试验件宽度为288 mm，厚度为1.5 mm。如图2所示，点焊试验件主要通过5个焊点将2块搭接在一起的铝合金薄板焊接在一起，焊点均匀分布，间距为26 mm，两侧焊点边距为8 mm，其余尺寸与搅拌摩擦焊试验件一致。

为了保证试验不出现偏心情况，在试验件两端加装等厚度垫片保证试验件与连接夹具的中心线与试验机夹头中心线一致，试验件加载方式如图3所示，将试验件两端通过夹具固定在试验机上，通过轴向拉伸方式施加载荷。

搅拌摩擦焊和点焊试验件疲劳强度试验的试验载荷为轴向正弦波加载，受拉为正，加载频率为5 Hz。采用静载±动载的交变载荷形式加载，搅拌摩擦焊试验件初级载荷为（1 472±1 216） N，点焊试验件初级载荷为（1 700±1 400） N。试验每进行30万次，如果试验件未出现裂纹，则静动载荷按前一级升级20%后继续试验，以此类推，直至试验件出现裂纹或破坏，或者试验总次数达到120万次，可以终止试验。在试验过程中定期检查试验件，出现裂纹则停止试验并记录试验件的破坏形式及对应载荷。

图1 搅拌摩擦焊试验件

图2 点焊试验件

图3 试验加载方式示意图

2 试验结果与分析

2.1 疲劳试验结果

通过拉伸疲劳试验，得到了搅拌摩擦焊试验件和点焊试验件在不同交变载荷下发生疲劳破坏时的载荷级数和循环次数。搅拌摩擦焊试验件疲劳试验结果见表1，点焊试验件疲劳试验结果见表2。由表中数据可以发现，前2件搅拌摩擦焊试验件加载到第三级载荷时开始出现裂纹，且循环次数分别为59 131次和101 825次；第3件试验件加载到第二级载荷开始出现裂纹，循环次数为237 364次。而3件点焊试验件均加载到第四级载荷才出现裂纹，循环次数分别为29 039次、27 994次和36 797次。通过对比试验件出现裂纹时的载荷级数和其对应的循环次数可以发现，不同搅拌摩擦焊试验件之间发生疲劳破坏时的循环次数差异较大，而点焊试验件之间发生疲劳破坏时的循环次数较小。这一现象表明，搅拌摩擦焊试验件的疲劳性能较点焊试验件更为分散。

表1 搅拌摩擦焊疲劳试验结果

表2 点焊疲劳试验结果

同时，对比搅拌摩擦焊和点焊试验件发生疲劳破坏时的载荷大小可以发现，搅拌摩擦焊试验件发生疲劳破坏时的载荷为（2 119.7±1 751） N和（1 766.4±1 459.2） N，点焊试验件发生疲劳破坏时的载荷为（2 937.6±2 419.2） N。已知静载和动载，则可以通过下式求得最大载荷和最小载荷，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：Sm为静载，Sa为动载，Smax为最大载荷，Smin为最小载荷，r称为循环特征或应力比[3]。因此，可以求得搅拌摩擦焊试验件发生疲劳破坏时的最大载荷为3 870.7 N和3 225.6 N，应力比为0.1。而点焊试验件发生疲劳破坏时的最大载荷为5 356.8 N，应力比为0.1。在相同应力比下，搅拌摩擦焊试验件发生疲劳破坏的最大载荷小于点焊试验件。

搅拌摩擦焊试验件和点焊试验件拉伸疲劳试验裂纹分布如图4和图 5所示，从裂纹形貌中可以发现，搅拌摩擦焊试验件裂纹均出现在焊缝上靠近焊缝边缘的位置，并且裂纹扩展沿焊缝方向，与载荷方向垂直，裂纹形貌光滑平直。而点焊试验件裂纹均出现在焊点上，贯穿整个焊点，各个焊点之间的裂纹相对独立，裂纹形貌蜿蜒曲折。

考虑到2种焊接工艺的差别，搅拌摩擦焊通过高速旋转的搅拌头与工件表面接触，焊缝区发生塑性变形，金属挤压流动转移、扩散再结晶形成焊缝[4]；而点焊则通过电阻热熔化金属，形成焊点。因此，搅拌摩擦焊在搭接面生成完整焊缝，材料性质分布均匀，裂纹光滑连续；而点焊试验件焊点与母材的强度差异导致在焊点处发生明显的应力集中，造成裂纹首先出现在焊点上，裂纹形貌曲折且分布不均匀，有的焊点出现裂纹，有的焊点保持完整。因此，可以认为搅拌摩擦焊试验件焊缝处性能分布比点焊试验件焊点性能更均匀，裂纹扩展也就更加平滑。

以上分析表明，搅拌摩擦焊不同试验件之间疲劳性能分散性大于点焊试验件，造成发生疲劳破坏时的循环次数差异较大；但是对于同一试验件，搅拌摩擦焊焊缝处的材料性能分布均匀，疲劳破坏时裂纹扩展平滑，证实了搅拌摩擦焊工艺能够有效避免点焊过程中造成的气孔、夹渣等缺陷[2]。

2.2 疲劳特性计算

疲劳特性采用下述S-N曲线表示，如公式（4）所示。

当疲劳试验结果只有一级载荷时，根据S-N特性曲线方程即可直接求得单个试验件的疲劳极限。当疲劳试验结果含有多级载荷时，单个试验件的疲劳极限采用Miner理论按下式迭代求解，如公式（5）所示。

图4 搅拌摩擦焊裂纹示意图

图5 点焊试验件裂纹示意图

由于疲劳极限较好地符合对数正态分布，因此平均疲劳极限及标准差分别按下述公式计算，如公式（6）所示。

2种焊接试验件材料均为2A12，材料参数见表3。

表3 S-N曲线参数

其中，D-表示试验件材料为铝合金，破坏模式为无擦蚀。结合以上数据，就可以通过公式（4）～公式（7）计算得到搅拌摩擦焊和点焊试验件的平均疲劳极限和子样标准差。

3件搅拌摩擦焊试验件疲劳极限均小于点焊试验件，并且搅拌摩擦焊试验件的平均疲劳极限为1 735.0 N，点焊试验件平均疲劳极限为2 423.7 N，具体情况见表4、表5。搅拌摩擦焊试验件平均疲劳极限低于点焊试验件，为点焊试验件的71.6%。同时，搅拌摩擦焊试验件子样标准差为0.034，点焊试验件子样标准差为0.002。搅拌摩擦焊试验件子样标准差高于点焊试验件，这就表明不同搅拌摩擦焊试验件之间的疲劳性能较点焊试验件更为分散。

表4 搅拌摩擦焊疲劳极限

表5 点焊试验件疲劳极限

已有研究表明，搅拌摩擦焊接头强度受搅拌头形状、尺寸以及工艺参数影响[4-5]，因此，在后续的研究中，还可以通过优化搅拌头形状、轴肩尺寸以及搅拌头转速等工艺参数增强铝合金搅拌摩擦焊接头性能。

3 结语

该文通过对搅拌摩擦焊和点焊试验件进行拉伸疲劳试验，得到了铝合金搅拌摩擦试验件和点焊试验件的平均疲劳极限。结果表明，搅拌摩擦焊可以有效避免传统焊接中产生的气孔、夹渣等缺陷，同一试验件接头的力学性能分布均匀；搅拌摩擦焊试验件的平均疲劳极限低于点焊试验件，为点焊试验件的71.6%，并且搅拌摩擦焊平均疲劳极限的子样标准差高于点焊，不同试验件之间疲劳极限的分散性更大。