根部缺陷對攪拌摩擦焊接頭拉伸性能影響

周平， 戴啟雷， 張元杰

(1.江西工程學院，江西 新余 338000；2. 華緯科技股份有限公司, 浙江 諸暨 311800；3.新余鋼鐵集團有限公司, 江西 新余 338000)

0 前言

攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型焊接技術，具有變形小、焊后殘余應力小和接頭質量高等優點，廣泛應用于鋁合金結構制造中[1-4]。隨著FSW技術在工業生產中應用越來越廣泛，對FSW接頭穩定性與可靠性的要求也相應提高，研究人員首先關注的是FSW接頭可能產生的缺陷，其中FSW接頭根部缺陷對接頭服役性能產生明顯的不利影響[5-7]，如高速列車行業中，除對接頭拉伸性能有明確要求，對接頭背彎等也有較高要求，而相關研究不全面[8-10]。

基于以上現狀，文中對鋁合金FSW接頭根部缺陷開展研究，采用DIC觀察結合掃描電鏡觀察的方法，研究根部缺陷對鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸性能的影響，有利于促進FSW技術的工程應用，也有利于加深對相關科學問題的認識。

1 試件制備與試驗方法

試驗鋁合金材料采用6082-T6作為研究對象。該材料的化學成分為見表1。材料尺寸為300 mm×150 mm×5 mm，采用對接的FSW接頭連接方式，焊前預先用砂紙對表面進行打磨。焊接攪拌頭材料是H13鋼，軸肩直徑20 mm，攪拌針采用根部直徑5 mm，長4.7 mm的四棱柱帶螺紋型。試驗的焊接工藝參數見表2[11-16]。

焊后對所有參數的接頭用線切割垂直焊接方向切割出拉伸試樣。取樣位置避開焊縫的起始端和尾部各40 mm，取樣前接頭背面未經任何處理。試樣垂直焊接方向截取，焊縫位于試樣中心部位。接頭拉伸試樣為狗骨形，平行段長度為100 mm，平行段寬度為25 mm，厚度5 mm，尺寸如圖1所示。拉伸試驗在WDW-100E型電子萬能試驗機上進行。對拉伸試樣在拉伸過程中進行DIC觀察，以研究接頭根部缺陷在接頭拉伸過程中的變形行為。接頭的拉伸斷口形貌在JSM-6064LV型掃描電鏡上觀察。

表1 6082-T6化學成分(質量分數，%)

表2 焊接工藝參數

圖1 接頭拉伸試樣尺寸

2 試驗結果與討論

2.1 接頭根部缺陷檢測

采用彎曲試驗檢驗接頭表面可能存在的缺陷。試驗中將根部出現肉眼可見裂紋的FSW接頭定義為存在根部缺陷的接頭，把背彎180°接頭根部未出現任何裂紋的FSW接頭定義為無根部缺陷接頭。圖2為不同焊接工藝參數下接頭背彎試驗統計結果，從圖2中可以看出，在焊接速度小，轉速高的情況下，接頭可以避免根部缺陷的產生。隨著焊接速度增大或者轉速降低，接頭根部易產生缺陷。

圖2 不同參數下FSW接頭的彎曲行為統計圖

為更好地掌握6082-T6鋁合金FSW接頭根部缺陷隨焊接工藝參數的變化情況，選取旋轉速度為1 800 r/min，焊接速度分別為200 mm/min，300 mm/min，400 mm/min，600 mm/min時接頭的彎曲情況進行了對比，結果如圖3所示。當焊接速度為200 mm/min時，從圖3a中可以看出接頭彎曲到180°無裂紋，表明原始接頭根部無缺陷，接頭根部實現了很好的固態連接，接頭抗背彎能力較好。當焊接速度增加到300 mm/min時，從圖3b中可以看出接頭背部在彎曲到180°時焊縫方向出現了肉眼可見的裂紋，表明根部存在缺陷。而繼續增大焊接速度到400 mm/min和600 mm/min時，從圖3c，圖3d中可以看出接頭背部在沒彎到180°前就出現了深度和寬度均較大的裂紋。從上述結果可以看出，在其它工藝參數固定的條件下，隨著焊接速度的增大，接頭根部產生缺陷的傾向變大，缺陷嚴重情況也增加。

圖3 典型參數接頭背彎性能隨焊接速度的變化

2.2 接頭根部缺陷對拉伸性能影響

根據FSW接頭背彎檢測結果，選取具有代表性的3個參數的接頭作為研究對象，ω=1 800 r/min，v=200 mm/min，300 mm/min，600 mm/min，對接頭拉伸斷裂行為進行分析。各參數下不同時刻的DIC結果如圖4～圖6所示。

2.2.1典型參數接頭拉伸斷裂行為

圖4為ω=1 800 r/min，v=200 mm/min參數下接頭不同時刻的DIC結果。從圖4可以看出這一根部無缺陷的接頭t=60 s，70 s，166 s時刻拉伸應變結果，在整個拉伸過程中，主應變主要分布在接頭的熱影響區部位，熱影響區為接頭的薄弱區，隨著拉應力的逐漸增加，在斷裂前，熱影響區局部區域最高應變可達37.4%，接頭的最終斷裂位置位于熱影響區。`

圖5為ω=1 800 r/min，v=300 mm/min接頭不同時刻的DIC結果。從圖5可以看出，雖然接頭在該參數條件下通過彎曲表明其根部存在缺陷，但從t=60 s，70 s和166 s時刻接頭拉伸應變結果來看，接頭在整個拉伸過程中，其主應變仍主要分布在熱影響區部位，斷裂前熱影響區局部最大應變值達39.7%，在整個拉伸過程中，在接頭根部有缺陷部位沒有產生顯著的應變，從斷裂前的宏觀照片里可見，接頭斷裂前在根部有缺陷的地方也沒有發現任何的微裂紋出現，接頭最終的拉伸斷裂位置仍位于熱影響區。

圖4 ω=1 800 r/min，v=200 mm/min接頭的DIC結果

圖5 ω=1 800 r/min，v=300 mm/min接頭的DIC結果

圖6 ω=1 800 r/min，v=600 mm/min接頭的DIC結果

當焊接速度繼續增大時，根部缺陷嚴重性增加，拉伸過程中接頭行為出現明顯變化。圖6為ω=1 800 r/min，v=600 mm/min參數下接頭不同時刻的DIC結果。從圖6可以看出，當t=60 s時，在接頭根部區域已發生了較小的應變現象，而熱影響區部位沒有明顯的應變現象。隨著拉伸過程的進行，在t=70 s時，在接頭背面的中間部位出現了一段白色區域，而在白色區域左右兩端可見明顯的應變，該白色區域是由于該部位表面有微裂紋出現而導致主應變無法捕捉到。隨著拉應力的逐漸增加，已形成的微裂紋不斷擴展，當t=138 s時，從斷裂前根部區域的宏觀照片可見，缺陷已發生了明顯的擴展并貫穿于整個接頭根部。由于缺陷的擴展導致在斷裂前的主應變分布圖上出現了較寬的白色區域，而無法觀察到斷裂前焊縫根部區域的應變分布情況，但是從圖6中可以知道：在拉伸過程中，會首先在接頭根部缺陷處形成裂紋，隨著拉伸載荷的增加，根部缺陷不斷沿試件厚度方向擴展，表現為所觀察的平面上裂紋寬度增加，缺陷向試件厚度方向的擴張導致焊核區的承載力不斷降低，最終導致拉伸斷裂位置位于焊核區。同時從圖6中可以看出在拉伸過程中熱影響區也發生了變形，但是熱影響區的應變大小約為9.2%，明顯低于w為1 800 r/min，v為200 mm/min和300 mm/min時接頭熱影響區所對應的應變值。

2.2.2典型參數接頭的拉伸斷口形貌

對3種典型接頭的拉伸斷口進行了掃描電鏡觀察(SEM)。圖7為典型參數接頭拉伸斷口形貌，其所對應的斷裂位置均在熱影響區?？梢钥闯?，2個參數下的接頭拉伸斷口形貌均為韌窩狀斷口，具有較好的延展性。

對于ω=1 800 r/min，v=600 mm/min的接頭來說，接頭根部缺陷的存在顯著降低了拉伸性能，在拉伸過程中裂紋首先在接頭根部缺陷處形成并擴展，最終導致斷裂發生在接頭的焊核區，為更深入了解接頭根部缺陷處裂紋的形成和擴展過程，對接頭根部缺陷處的斷口形貌進行了觀察。圖8為ω=1 800 r/min，v=600 mm/min接頭根部附近的拉伸斷口形貌。圖8a為根部區域斷口低倍放大后的形貌，可以看出從斷口的底到上部的形貌明顯不同，分別劃分為b，c，d區域，對這3個區域的微觀形貌進行放大，分別如圖8b～圖8d所示。從圖8b中可以看出，在接頭底部區域的斷口表面非常平坦和光滑，平坦區距離底面的高度約580 μm，拉伸過程中裂紋在平坦區的擴展阻力非常小，平坦區內沒有明顯的塑性變形現象，在此區域材料沒有實現良好的固態冶金結合。從圖8c中可以看出隨著距離底面的距離的增加，存在一個過渡區，在過渡區內斷口形貌主要為臺階狀，具有脆性的斷裂形貌特征，但是在臺階上分布有非常細小的韌窩形態，表明該區發生了一定的塑性變形行為。而進一步向上擴張，進入焊核區后，從圖8d中可以看出焊核區斷口形貌主要為均勻分布的韌窩，韌窩的深度和直徑都比較大，具有很好的塑性和變形抗力。

圖7 典型參數接頭拉伸斷口形貌

圖8 ω=1 800 r/min，v=600 mm/min時接頭的拉伸斷口形貌

從上述過渡區到焊核區中的斷口形貌變化來看，在過渡區雖然宏觀上表現為脆性的臺階狀斷口，但是在臺階面上分布有淺而小的韌窩，具有細小的韌窩形態并不是因為過渡區的塑性低，而是由于過渡區材料的不完全連接造成的。綜上分析可以看出當焊接速度為600 mm/min，隨著距離接頭根部底面距離的增加，根部材料的連接狀態為沒有實現固態連接過渡到不完全連接狀態再到完全連接。

3 結論

(1)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭隨著焊接速度增大，根部缺陷嚴重增加，接頭根部缺陷的存在顯著降低了拉伸性能，拉伸過程中接頭行為出現明顯變化。

(2)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭由于根部缺陷的存在，導致了焊核區的承載能力降低，而導致強度下降。拉伸斷口形貌為臺階狀，具有脆性的斷裂形貌特征，由于過渡區材料不完全連接，斷口形貌在臺階面上分布有淺而小的韌窩，具有細小的韌窩形態。

(3)根部缺陷受工藝參數影響較大，在較大的轉速焊速比下接頭可避免根部缺陷的產生，隨著焊接速度增大，接頭根部容易產生缺陷且缺陷嚴重情況也會增加。