AA6082铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳扩展速率

0　前言

6082-T6铝合金是Al-Mg-Si系合金，在经过适当热处理工艺后具有中等强度，同时拥有较好的耐腐蚀性、成形性及焊接性。搅拌摩擦焊(FSW)技术是一种固相连接方法，相比于传统的熔化焊焊接，具有残余应力小、无气孔及热裂纹等优点，该技术目前已大规模应用于铝合金的焊接制造中[1]。

FSW接头的疲劳性能是工程界非常关注的问题，它是评定FSW构件使用安全性的重要指标之一。已有研究结果表明，FSW接头避免了熔化焊可能产生的气孔等缺陷以及焊核区的细晶组织结构具有很好的抗裂纹萌生能力，使得接头的疲劳寿命要明显高于熔化焊接头[2]。众所周知，FSW接头分为不同的微观组织区域，当微裂纹在接头中形成后，其在不同微观区域中的扩展行为具有重要的工程研究价值，而国内在这方面开展的研究工作还不足。该试验据此开展了6082-T6铝合金FSW接头不同区域的疲劳裂纹扩展速率研究。

1　试验材料与方法

试验所用的材料为5.1 mm厚6082-T6铝合金，详细的化学成分见表1。接头采用对接形式进行焊接，焊接试板的尺寸规格为300 mm×100 mm ×5.1 mm，搅拌头的形貌为圆锥形，且圆锥表面带有螺纹，轴肩直径是20 mm，搅拌针针长为4.8 mm。焊接参数是:转速1 800 r/min，焊接速度200 mm/min，下压量为 0.2 mm，搅拌头倾角为2.5°。

5) 加强控制系统的密码管理，对操作系统、应用软件、控制设备等密码制订定期更改计划。加强口令强度，密码要求设置口令长度至少8位，由非纯数字或字母组成。

表1　A6082-T6合金化学成分(质量分数，%)

MgSiMnFeCuTiZnCrAl0.71.30.70.50.120.10.20.25余量

焊接完成后沿接头横截面切割制备金相试样。金相微观组织观察使用的腐蚀液组分如下：50 mL Poulton试剂+25 mL HNO3+12 g Cr2O3+40 mL H2O，金相观察在Olympus光学显微镜下进行，疲劳断口形貌观察在JSM-6064LV型扫描电镜下进行。

第三，提高工会整体工作能力。工会的工作很重要，只有工会正常发挥职能，才能保证医院的正常运行，因此工会的组成人员很重要，需要不断提升能力，与时俱进，才能适应社会的需求，完成工作任务。医院管理人员以及工会工作人员要有一定的觉悟，定期进行培训，提高自身能力，尽心工作，为医院的健康发展贡献力量。

疲劳裂纹扩展试验按照GB/T 6398—2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》中的紧凑拉伸试验方法(CT)在MTS-810 型疲劳试验机上进行。CT试样在焊态下接头中的取样位置如图1所示，分别为：①裂尖在热影响区，垂直焊缝方向扩展；②裂尖在热影响区，平行焊缝方向扩展；③裂尖在焊核区中心，平行焊缝方向扩展。另外，对母材的疲劳裂纹扩展性能进行了测试，扩展方向为垂直轧制方向扩展。 裂纹扩展试验使用的加载方式是恒幅，采用正弦波加载，其频率为10 Hz，应力比 R为0.1。

图1　FSW接头不同位置的疲劳试件

2　试验结果与讨论

2.1　疲劳裂纹扩展速率

采用Pairs公式对FSW接头不同部位疲劳稳定扩展阶段的扩展数据进行拟合处理，其结果如图2所示。可以看出，在较低应力强度因子范围ΔK条件下，裂纹扩展速率由大到小依次为：①裂尖在热影响区，垂直焊缝方向扩展；②裂尖在焊核区中心，平行焊缝方向扩展；③母材；④裂尖在热影响区，平行焊缝方向扩展。随着ΔK的增大，裂尖在热影响区沿焊缝方向的扩展速率高于其在母材中的扩展速率。

近十年国内英语冠词习得研究主要从两个方面进行：首先是对冠词变异性原因的探究，其次是从促学方面研究反馈方式对冠词习得的影响。

图2　FSW接头不同部位裂纹扩展速率示意图

接头不同部位的疲劳裂纹扩展速率与各部位的微观组织及残余应力分布有关[3]。已有研究表明[3]，晶粒尺寸越小其疲劳裂纹扩展速率越快。图3为接头不同部位的微观组织图。可以看出焊核区的平均晶粒尺寸约为15 μm，远小于母材或热影响区晶粒尺寸(约115 μm)，所以疲劳裂纹在焊核区的扩展(平行或者垂直焊缝方向)速率均高于其在母材或热影响区部位的扩展速率。从图2可以看出，在较低ΔK条件下，裂纹在焊核区扩展时，其垂直焊缝方向的扩展速率要高于其平行焊缝方向的扩展速率，这与二者残余应力分布状态不同。已有研究表明[4]，FSW接头残余应力的分布类似于“M”形态(在热影响区部位存在残余压应力，在焊缝边缘内侧附近存在较高的残余拉应力，在焊缝中心处残余拉应力较小)且纵向残余应力要明显高于其横向残余应力值。当裂纹由焊缝边缘向焊缝内部扩展时，接头纵向分布的较高残余拉应力加快了裂纹的疲劳裂纹扩展速率，导致裂纹在焊核区垂直焊缝方向的扩展速率要快。当裂纹在热影响区平行焊缝方向扩展且ΔK较低时，由于残余压应力的影响，产生裂纹闭合效应，使得裂纹在热影响区的扩展速率降低[5]。伴随ΔK的递增，热影响区部位的裂纹闭合效应减弱或消失，导致在较高ΔK条件下，裂纹沿热影响区的扩展速率明显加快，并高于其在母材中的扩展速率。

图3　接头不同部位微观组织

2.2　疲劳断口形貌

裂尖在焊核区中心，平行焊缝方向扩展(记H-P)；在热影响区，垂直焊缝方向扩展(记R-C)；在热影响区，平行焊缝方向扩展(记R-P)及母材区扩展的疲劳断口，对以上疲劳断口分别进行SEM观察，如图4所示。当裂纹在H-P部位扩展时(图4a)，其断口形貌主要大量分布着撕裂棱(箭头2)、碎块状平面(箭头3)以及二次裂纹(箭头1)，而以疲劳条纹形式扩展的区域非常有限。这些大量分布的碎块状平面以及二次裂纹表明，断口具有脆性特征，而疲劳条纹在断口形貌中所占的比例非常有限。当裂纹在R-C部位扩展时(图4b)，同样发现断口表面有大量的二次裂纹(箭头1)和碎块状平面(箭头2)，疲劳条纹所占比例很小。可以认为当疲劳裂纹在焊核区稳定扩展时，其断口形貌主要是准解理形式的断裂模式，为脆性的疲劳断口，疲劳裂纹扩展抗力较小。相反，当裂纹在R-P部位时(图4c)及母材区(图4d)扩展时，可以看出断口表面明显出现规则、光滑的疲劳条带，条纹间距为裂纹在一个应力周期内向前扩展的距离。扩展模式为塑性疲劳条纹扩展，疲劳裂纹扩展抗力相比于脆性条带明显提高，使得裂纹在热影响区及母材区的扩展速率低于在焊核区中的扩展速率。

图4　接头不同区域疲劳断口形貌

3　结论

(1) 在疲劳裂纹稳定扩展阶段，裂纹在FSW接头焊核细晶区中的扩展速率要明显高于其在热影响区和母材中的扩展速率；ΔK较低时，裂纹在热影响区的扩展受闭合效应影响而速率降低，伴随ΔK的递增，裂纹闭合效应减弱，使得在较高ΔK条件下，裂纹沿热影响区的扩展速率明显加快，并高于在母材中的扩展速率。

(2) 裂纹在焊核细晶区中扩展时，断口以准解理模式发生断裂，疲劳裂纹扩展抗力较低。裂纹在热影响区及母材中则以塑性疲劳条纹模式发生断裂，其疲劳裂纹扩展抗力相对较高。

参考文献

[1]　赵峰. 世界搅拌摩擦焊焊接长度之最——列车车体大型结构搅拌摩擦焊设备成功交付[J]. 焊接，2012(3): 8-9.

[2]　王快社，张小龙，王训宏，等. 搅拌摩擦与氢弧焊铝合金接头疲劳性能的比较[J]. 材料研究学报，2009，23(1): 74-76.

[3]　闫德俊，刘雪松，方洪渊，等. 高速列车用高强铝合金焊接接头疲劳裂纹的扩展特性[J]. 中国有色金属学报，2012，22(12): 3313-3319.

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

[5]　Lemmen H J K，Alderllesten R C，Benedictus R. Fatigue initiation behavior throughout friction stir welded joints in AA2024-T3[J]. International Journal of Fatigue，2010，32: 1928-1936.