航空铝合金Lc4T4和7075T6搅拌摩擦焊接头疲劳性能分析.docx

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航空铝合金Lc4T4和7075T6搅拌摩擦焊接头疲劳性能分析

航空铝合金Lc4-T4和7075-T6搅拌摩擦焊接头疲劳性能分析

摘要

搅拌摩擦焊（FSW）是一项相对较新的固相连接方法，被誉为“继激光焊后最具革命性的连接技术”，在铝及铝合金等轻质合金连接方面具有明显的优势。

目前，国外对FSW接头疲劳性能进行了少量研究，国内才刚刚开始，对FSW焊接超硬铝接头的疲劳性能研究尚属空白。

本文主要对航空铝合金Lc,4．T4和7075．T6FSW对接接头的疲劳性能进行了研究，实验测定疲劳拉伸S-N曲线，按照国际焊接学会（IIW）焊接接头疲劳评定规范，计算出FSW接头的疲劳特征值。

同时利用金相组织观察和显微硬度测试对接头焊缝各区域的组织和缺陷进行分析讨论。

实验结果表明，Le4．T4和7075．T6铝合金FSW焊缝成形良好，焊后板材几乎无变形；焊缝表面呈现半圆环曲线带，焊缝中心有“洋葱环’’组织出现；FSW接头存在两个明显的外部特征：

飞边和凸台。

根据FSW过程中接头材料的流动性差异把接头区域分为焊核区、机械热影响区、热影响区和母材区；FSW接头的显微硬度分布近似成w型，硬度的最低点出现在热机影响区；在Lc4．T4铝合金FSW接头焊缝中存在少量氧化物夹杂和几乎贯穿焊缝的弱连接缺陷，在7075一T6中存在少量尺寸较小的弱连接缺陷。

表面氧化物破碎不完全形成的弱连接缺陷几乎存在于所有的铝合金FSW接头焊缝中，可看作是铝合金FSW接头焊缝的固有缺陷。

疲劳拉伸试验数据统计分析结果表明，在2×106次疲劳循环次数时，Lc4．T4铝合金FSW接头在95％存活率下疲劳强度特征值为79．85MPa，7075．T6为78．71MPa；7075．T6铝合金FSW接头的疲劳性能好于Lc4．T4：

根据IIW疲劳评定规范，在2×106次疲劳循环次数时，Le4．T4和7075一T6铝合金FSW接头疲劳强度明显高于IIW疲劳设计标准FAT28和FAT50。

Lc4．T4和7075-T6铝合金FSW接头疲劳S．N数据全部高于疲劳设计标准FAT28，在长寿命区（循环次数N>105），其疲劳S-N数据还高于疲劳设计标准FAT50。

说明铝合金熔焊疲劳设计标准对FSW接头有些保守，需要制定符合实际的FSW疲劳设计标准。

关键词：

搅拌摩擦焊；铝合金；疲劳性能；疲劳强度特征值；显微组织；焊接

缺陷

Abstract

Frictionstirwelding（FSW）isarelativelynewsolidstatejoiningprocess．Itissaidtobe‘'themostrevolutionaryjoiningmethodsinceLaserWelding”，andhaveobviousadvantagesinweldinglightalloyslikealuminumandSOon．AtpresentoverseasresearchershavetakesomeresearchesonfatigueperformanceofaluminumFSWjoints，Butitisjustbeginninginhomeandblankinweldingsuer-duralumin．Inthispaper,thefatigueperformanceoffrictionstirweldedaerospacealuminum，Lc4·T4and7075一T6，hasbeeninvestigated．MainlytasksincludemeasuringfatigueS-Ncurses，calculatingfatiguecharacteristicvalueby

IIWfatiguedesignstandard．Inaddition，usingmetallurgicalstructureand

microhardnessanalysestructuresanddefectsofdifferentzonesinFSWjoints．

FSWmadeasoundjointwithoutanydistortionandthemicrostructureoftheweldedjointWasdividedintofourzones：

weldnuggetzone，thermo-mechanicallyaffectedzone（TMAZ），heat·affectedzone（HAZ）andbasematerialbydifferentfluidofalloymaterials．Thereareapparentlyflashandbossintheedges，semi—ringcurvegirdlesinthesurfaceand“onionring”intheweldcenter．TheshapeofmicrohardnessdistributionisapproximatelyW，andtheminimumhardness

emerginginTMAZzone．Therearefewtrappedoxideandalmostpenetrativetype

weak-bonddefectattherootregionofLc4-T4aluminum，andfewsmallweak-bonddefectsattherootregionof7075一T6aluminum．Weak-bonddefectwhichformedbyincompletebrokensurfaceoxides，wasfoundinalltheFSWjointsofaluminum．

ItcanbesaidtotheinherentdefectinFSW，likeporosityinfusionwelding．

ThefatiguetestresultsindicatethatthefatiguecharacteristicvaluesofFSweldsare78．85MPaat95％confidenceforLc4一T4aluminumand78．71MPaat

95％confidencefor7075一T6aluminumat2x106cycles．ThefatigueperformanceofFSWjointof7075．T6aluminumisbetterthanLe4-T4aluminum．ThefatiguestrengthofLc4一T4and7075··T6aluminumareobvioushigherthanthenumerical

valueofIIWfatiguestandardFAT28andFAT50at2xl06cycles．Alldataoffatigue

testinLc4··T4and7075·—T6aluminumFSWjointsarehigherthanthevalueofIIW

fatiguestandardFAT28，andstillhigherthanthevalueofIIWfatiguestandardFAT50atlongcycles．ThisindicatesthatthefatiguestandardoffusionweldingisnotpropertoaluminumFSWjoints，itshouldbemakenewfatiguestandardtomeet

practicalrequirement．

KEYWORDS：

FrictionStirWelding，Lc4·T4and7075一T6aluminum，fatigue

performance，fatiguecharacteristicvalue，microstructure，weldingdefect

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘鲎或其他教育机构的学

位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已

在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

弓大峭签字日期：

w。

7年2月z日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。

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弓太I}鹃导师签名：

t奄多p孓芬

签字日期：

动吖年≯月z日签字日期：

私司年1月z日

第一章绪论

第一章绪论1．1选题背景及研究意义

铝合金材料由于重量轻、抗腐蚀、易成形等优点，受到众多工业制造的青睐，随着这种材料的性能的不断提高，如新型牌号的硬铝（2XXX系列）、超硬铝（7XXX）等材料的出现，在航空、航天、高速列车和舰船等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。

但是，由于铝及铝合金的化学活泼性很强，采用传统焊接方法焊接时，在铝合金表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质（]5tIAl203的熔点为2050℃），加之铝及铝合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。

由于

氧化膜的密度与铝的密度极其接近，因此也易形成焊缝金属的夹杂物。

同时，氧化膜可以吸收较多水分而常常成为形成焊缝气孔的重要原因之一。

此外，铝及其合金的线胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生变形【l】。

搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，简称FSW）作为一项创新的新型连接技术，是由英国焊接研究所（TheWeldingInstitute，简称3冈vI）在1991年发明并在全世界范围申请专利保护【2】，被誉为“继激光焊之后最为革命性的连接技术"。

常规的摩擦焊方法可以实现铝．铝、铝．铜、铝．钢等圆截面间的连接，而搅拌摩擦焊则更适宜于同质或异质的铝．铝合金板件间的连接，其应用范围还随着研究开发的深入正不断扩展。

由于铝．铝合金板材结构在航天、航空、造船和高速列车等领域的应用日益扩大，因此搅拌摩擦焊技术在这些领域的应用深受关注。

搅拌摩擦焊技术的出现有效避免了铝及铝合金熔焊时所产生的缺陷，消除了铝及铝合金熔焊时元素的挥发问题，改善了熔焊的铝合金的焊接性，如2XXX、7XXX系列中的难焊铝合金等，焊后均能获得无气孔、裂纹、焊接残余应力低和变形较小的高质量焊缝。

经过十几年的发展，搅拌摩擦焊技术已日趋完善并成功应用于航空、航天、造船、汽车和高速列车等诸多有色合金（主要是铝、镁、铜、钛及其合金）结构制造领域，其可焊厚度最薄搭接和点焊时0．3mm、对接时0．5mm，最厚单道FSW可达75mm，如图1．1所示。

对于常规熔焊方法难以焊接的轻金属材料及异种轻金属间的连接，采用搅拌摩擦焊均可获得满意的接头性能。

搅拌摩擦焊可以成功焊接几乎所有的铝合金【3．14】，包括1XXX（纯铝）系列、2XXX（A1．Cu）系列、5XXX（A1．Mg）系列、6XXX（A1．Mg．Si）系列、7XXX

（A1-Zn）系列、8XXX（A1．Li）系列，以及镁合型挎191、钛合剑20-24]、铜及铜

合金[25-28]、钢铁材料[29-361和多种复合材料[37-45】。

随着搅拌摩擦焊技术和工艺的不

盥

（4）超薄铝片的FSW焊接过枉（b）铝台盒单道FSW：

75ram雯一一

图1．】目前置：

台会FSW的扳厚极限

Fig】-1LimitedthicknessofplatesinaluminumFSWa）FSWprocessofsuper-thinaluminum#ate，（b）SingleFSWinaluminum：

75一

断发展，其可焊接头形式也不断扩展．如图1．2所示，这使的搅拌摩擦焊已经成为一种』‘义的连接和加工技术。

搅拌摩擦焊作为一种新型连接技术克服了传统熔

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鲻掣j箩＆

幽钐咿@

图I．2搅拌摩擦焊接史形式（a）竹面埘接接头．（b）埘接和措接组合接头．（c）单道措接接头．（d）事道措接接头，（e）般面州接接头．（f）T型接头（g）边接接头，（h）卷边措接接土．（i）角接和对接组台接土，

（j）两个I件T形{{}接接头．（k）二个J，件T掣I懈接头，（”角接接头

146l

Fi91-2JointconfigurationsforfrictionstirwcIding

（a）singlebuttJoim，（b）combinedjointofbuuandlap，fc）singlelapjoim，（d）multiplelapJoint．（edoublebuttjoint、（OTtypeJoint，（g）edgeJoint．（h）flangelapJoint，

（1）combinedjointoffilletandbutt，a）TtypelapJoimoftwoplates，（k）TtypebratJointofthe”plates．

（1）filletJoim

∞$镕论

焊的缺点，必将祚今后的上业制造巾起到举足轻重的作用。

在己公开的文献和报告中，辟4内外大多数的研究都灶闱绕优化搅拌摩擦焊工

艺和表征其显微组织变化而展开的"”l，而对搅拌摩擦焊接头的疲劳行为的研究

同外进行了少鼍报道I“5¨2I，闭内／r刚刚开始。

到tl前为J1．．有关搅拌摩擦焊疲劳行为的数据i；￡P分有限，还没有组织和个人系统地埘搅拌摩擦焊接头的疲劳行为进行研究，国际}I也没有一个公认的搅拌摩擦焊疲劳设计标准。

1．2搅拌摩擦焊

1．2．1搅拌摩擦焊原理及特点

搅拌摩擦焊的原理如图1．3所示，它是一种连续的、纯机械的固相连接过程。

首先，带有特殊形状搅拌探头（Probe，或搅拌针Pin，或特形指棒）的搅拌头（T001）高建旋转，并缓慢插入两块xt接扳材之问。

搅拌探头的长度接近焊缝的深度。

当旋转的搅拌探头与：

f：

件上表面接触时，搅拌探头与工什表面的高速摩擦产’I!

大量的摩擦热，致使接触处工件材料的温度升高．强度降低。

搅拌探头存外力作用下不断挤压接缝两边的材料．直至搅拌探头插入-[=件，搅拌头轴肩紧甯接触工件上表面为止。

这时，旋转轴肩和搅拌探头与_T件摩擦产，E的摩擦热在轴肩下面莆l搅拌探头周围形成大龄的金属埋化层。

当搅拌头丰【】对工件沿着焊接力向移动时，在搅拌探头侧面和旋转方向}产生机械搅拌和顶煅作州，搅拌又附近金属被摩擦加

热至热塑性状态。

搅拌头的轴肩和搅拌探头摩擦接缝、破碎氧化膜、搅拌和重组搅抖头后方的膊碎材料，搅拌头后方的材科拎自J后就形成吲态焊缝。

图1．3揽打摩擦焊原理示意国

Fi91—3SchemalicdrawingofprinclpleofFSW

第一章绪论

搅拌摩擦焊作为一项新型连接方法，其优点主要表现在以下几个方面。

（1）固相连接，接头性能优异采用传统的熔焊方法焊接高强铝合金时，即使采用很好的变极性焊接设备，

也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。

搅拌摩擦焊是～种固相连接过程，工件连接处温度未达到铝合金熔点温度，避免了熔焊时熔池凝固过程产生裂纹、气孔等缺陷，并且焊缝金属的晶粒比母材金属的细小，焊接区域组织变化小。

因此，铝合金搅拌摩擦焊往往比熔焊接头强度高15％之O％，延伸率高一倍，断裂韧度高30％。

（2）焊接变形小，残余应力低传统的熔化焊接，特别是铝合金薄板的熔焊，其结构的变形是非常明显的。

FSW由于是固相焊接，焊接温度相对较低。

同时，焊接过程没有凝固收缩，搅拌过程中的合金热塑性流动与熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程不同，焊后接头的内应力较低、变形较小，基本可实现板件的低应力无变形焊接。

由于焊接后结构的残余应力低和变形小，因此焊接较薄铝合金结构，如船舱板、小板拼大板时极为有利，这也是熔焊方法难以做到的。

（3）焊接成本低，效率高FSW所需设备简单，操作方便，能量利用率高。

例如，可以用总功率3KW

的设备焊接12．5mm深单焊道焊缝的铝合金。

因为FSW靠搅拌头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的连接，所以比熔焊更节省能源。

而且，焊接时不需要焊丝、焊剂和保护气体，焊接过程中对环境的污染小，焊前工件也不需要开坡口和进行严格的表面清理。

焊接过程中搅拌头的摩擦和搅拌作用可以去除焊件表面的氧化膜，因而对氧化膜不敏感，可直接对剪裁板进行焊接。

同时，焊接过程中无烟尘和飞溅，无需填充材料且适应自动化焊接。

（4）适用范围广FSW方法避免了金属熔化所导致的液化裂纹或结晶裂纹，因此可焊接热裂

纹敏感的材料。

通过对挤压型材进行焊接，可制成大型结构，如船板、框架、平台等，实现大厚度材料焊接。

目前，TwI可实现厚度为75mm的单道焊和厚度150ram的铝合金板材的双面焊。

除此之外，FSW还能实现不同材料的焊接，例如铝．铜、铝．银等焊接。

搅拌摩擦焊也可实现多种位置的焊接，并可实现多种形式的接头，如对接、角接、搭接等，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接。

还可以在存在磁场的条件下进行焊接，也可在非侵蚀性环境中（如水下）进行焊接。

但搅拌摩擦焊也有自身的工艺局限性，主要表现为：

（1）焊接时需要大的项锻压力和向前驱动力，因而焊件必须刚性固定，反面

应有垫板；

4

（2）焊接结束搅拌探头研抽日f．焊缝尾部常会存扣-“匙孔”，因而焊接时需要增加“引弧扳和卅焊板”（目前已绎可以实现无孔焊接）；

（3）对板材进行单逆焊接时．与熔焊丰H比焊速不足根高；（4）搅拌头的辟f损消耗太伙：

（5）焊接时的机械力较大，需要焊接设各具有很好的刚性；（6）与其它焊接方法相比，搅拌摩擦焊缺乏相对的工艺柔性，对上装设备要

求较高，难以用于复杂焊缝的焊接，山于需要施加很大的顶锻压力，也无法在机器人等设备r应用：

（7）焊缝存础擞陷时，为保bF接头的性能一致，需要固相焊接方法进行补焊。

1．2．2搅拌摩擦焊技术的核心一搅拌头

搅拌头的设计是搅拌摩擦焊技术的关键．它的设计是否合理直接影响着摩擦热源的产生、塑性金属的流动，决定，搅拌摩擦焊接头的机械性能，对十搅拌摩擦焊能否在更大范围内的应用有着决定性的影响作用，优化＆计的搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。

搅拌头llJ特殊形状的搅拌探头和轴肩组成，如图I_4所示。

轴肩的直往大干特彤搅拌探头的直径．在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同日f搅拌轴肩还町以提供大部分焊接所需要的搅拌摩擦热。

搅拌探头的形状比较特殊，焊接过程中搅拌探头要旋转若插入被焊材料的结合界面，并}L沿着待焊界面焊接线向前移动．对f对接焊缝，搅拌探头的插入深度般要略小于被焊材料的厚度。

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嘲14搅计头玳意嘲

Fig14SchematicdrawingoftheFSWto“

第《镕论

搅拌摩擦焊要求的特殊形状的搅拌探头一般要坩具有良好耐商盈、力学和物理特性好的抗群损材料制造．对于铝合金等轻型台金材料，曲：

焊接过程中搅拌头的磨损程度很小。

焊接过程中，搅拌头对焊接『）（域的材料具有向下挤压和侧向挤压的倾向，所咀被焊T件要加装背垫取I夹紧同定．以便承受搅拌头施加的轴向力、纵向力（沿黄焊接方向）以及侧向山。

研究表明，n埘接接头叶1，由于搅拌摩擦焊焊接方法的优越性，FSW对焊接接头形状、清沽度以及接头装配间隙均有较大的工艺裕度．如FSW对接焊时在接头fIIj隙为厚度IO％的条件。

F，同样可以得到优良的焊接接头。

髓着人们对搅拌摩擦焊技术的石Jf究越来越深入，为了适应辑种连接情况科研工作者设计出了各种形状的搅拌头m捌1。

F面主要对搅拌头的阿个丰要组成部分一轴肩和搅拌探头的研究进展进行介绍。

1．2．2．1轴肩

轴肩在焊接过程中主要起两种作用：

①通过2j焊件表而间的摩擦，提供焊接热源：

0提供一个封闭的焊接环境，阻止掣件软化金属从轴肩溢出。

常见的几种轴肩形貌妻¨阁1—5所示，它们都足在搅拌探头和轴肩的受界处中间凹入。

在焊接

◎园b◎◎

圈I-5不同几何彤貌的轴硝

Fi91-5GeometryparceBofdifferenttypeofshan#houldHs

过程中．这种设计形式能够保证轴肩端部下方的软化金属受到向内方向的力．从而有利f将轴肩下方形成的软化金属收集到轴肩端面的中心咀填充搅拌探头后方形成的空腔。

同时，可减小焊接过程中搅拌探头内啬【f的应力集中而保护搅拌探头。

对1：

特定的焊接板材，为了获得蘑佳的焊接教果，必须设计与之相适应的具有特殊几何形貌的轴肩。

轴们的A径与搅拌探头的根部直径密切帽关，一般取搅拌探头根部直径的26～28倍。

lh于轴肩神挥接过程中所起的作用比较单’，因此人们对轴肩形貌、几何尺二J及j￡对焊接过槲【}I塑性流动和焊后接三【=影响方面的研究较少，而将太部分精力集q，于搅拌探头彤貌，几何尺寸酷讨锋方面的研究。

1．2．2．2搅拌探头

（1）柱形搅拌探头

曲搅拌摩擦焊的初始阶段，主要采H{柱形搅拌头进行搅拌摩擦焊接。

但焊接中发现，柱彤搅拌探头对周围软化金属的向F旋压的作用力较弱，软化金属的流动性较差，造成焊后接头的性能较差。

在焊接试验中发现，由于柱形搅拌探头纵截面的面积较大，因而在焊接过程中受到的行进阻力较大。

在焊接行进开始的瞬间，容易造成搅拌探头从根部断裂，或经过较少的儿次焊接后，搅拌探头存焊接起始瞬间断裂。

这说明柱形搅拌探头

的耐冲击力较弱。

f21锥形螺纹搅拌探头和三槽锥形螺纹搅拌探头

搅拌探头的外形除开始的咧柱形外，TwI还开发了多种外形的搅拌探头，包括I剜锥形、锥形凹槽螺纹和偏心圆螺纹等形式。

其中凹槽螺纹探头主要用于连接6082．T6错合金板材，25～40mm厚度的接头采片j单面焊，40～70mm厚度的采片{烈面焊，

TwI开发的锥形州槽螺纹搅拌头，其注册商标为MxTrifluteⅢ（如I{}l1-6所示）。

这种搅拌头的表面有奇数个带有陡峭角度的【”l槽，叫槽的丧而环绕前丰f【糙螺旋线。

贾审

圈1．6WoriTM,['／kMXTnflule柏搅朴头

Fi91—6FSWtoolsofWotlTMmdMXTriflute’”

为了仕搅拌头能提供更人f|勺向下的钻采力和提高搅拌探头的抗弯强度，TwI的研究人员花搅拌探头J：

增开r螺旋状的『【r|精，