铝合金搅拌摩擦焊搭接焊缝组织特征与疲劳断裂行为研究

摘要

本文以2024-T4、6061－T6和5A06-H112三种铝合金为研究对象，对搅拌摩擦焊(FSW)搭接接头的组织特征及疲劳断裂行为进行了详细的研究。首先对搭接接头微观组织和硬度分布进行了试验研究，重点分析了搭接接头中存在的钩状缺陷，探讨了钩状缺陷对搭接接头疲劳性能的影响；其次针对这三种铝合金进行了一系列疲劳试验研究，将铝合金FSW搭接接头与国际焊接学会(IIW)推荐规范中的铝合金熔焊接头进行了疲劳性能对比，同时分析了应力比R、焊接规范(单道、双道)和材料类别对铝合金FSW搭接接头疲劳性能的影响；最后对疲劳断口进行扫描电镜分析，研究搭接接头疲劳断裂机理。
　　 金相组织分析表明，铝合金FSW搭接接头两板重合区域末端存在两个类似缺口的未连接区域，即钩状缺陷，这是与FSW对接接头不同的一个显著特征。钩状缺陷是一种不利的界面偏移，造成界面线的不连续并且其尖端引起较大的应力集中。同时钩状界面线进入搭接接头上板将使接头EST明显降低，而对于铝合金而言，接头EST越大，疲劳强度越高。因此钩状缺陷引起搭接接头上板变薄会降低其疲劳性能。本试验中所有疲劳试件全部从接头上板承载侧钩状缺陷位置处起裂，随后向NZ扩展直至最终断裂。整体来看，双道焊与单道焊相比并没有有效改善钩状缺陷的偏移程度和接头的疲劳性能。
　　 疲劳试验结果表明，铝合金FSW搭接接头的疲劳强度明显低于IIW规范中熔焊搭接接头FAT22的疲劳强度，与FAT12疲劳强度近似相当。2024铝合金FSW搭接接头在R=0.1时疲劳极限特征值△σk最大可到20.04MPa，仅在R=0.3时为8.32MPa，其余均比FAT12设计值高；6061铝合金FSW搭接接头疲劳极限特征值在10.65MPa<△σk<15.27MPa之间；而5A06铝合金FSW搭接接头△σk为7.18MPa，疲劳性能整体较差。同时当应力比R升高时，铝合金FSW搭接接头疲劳寿命将会降低。在低应力区，材料类别对接头疲劳性能影响很小或者可以忽略；但在高应力区，抗拉强度较高的2024铝合金FSW搭接接头比塑性较好的6061铝合金FSW搭接接头则表现出了较好的疲劳性能。
　　 疲劳断口分析表明，疲劳试件均为多重起裂并且裂纹源均位于搭接接头上板底部钩状缺陷处。裂纹扩展区表现为类脆性断裂特征且在部分铝合金FSW搭接接头中发现了疲劳辉纹。双道焊接头与单道焊接头相比，裂纹源和裂纹扩展区二次裂纹数目较多，使得其疲劳性能较低。在最终瞬断区可以看到等轴韧窝并且伴随有明显的撕裂脊，具有典型的韧性断裂特征。