王 敏，郭淑蘭，王海東

（長春工程學(xué)院 機電學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引言

隨著人們對交通工具的要求越來越高，車體的輕量化、高速化成為了一個發(fā)展趨勢。鋁合金作為一種性能良好的輕質(zhì)材料，目前在我國的軌道車輛制造中得到了大量的應(yīng)用。但是常規(guī)熔焊的接頭性能較低，難以滿足輕質(zhì)、高速的需求，因此，采用新技術(shù)解決鋁合金焊接性較差的問題成為國內(nèi)外研究的熱點［1］。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）的問世從根本上解決了這一難題，采用FSW焊接鋁合金等輕金屬，降低了熔焊缺陷產(chǎn)生的可能性，提高了接頭的性能。

1 實驗材料與方法

實驗用材為3mm厚的軋制6005A鋁合金，母材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 6005A鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

把鋁合金加工成200mm×50mm的試樣，在FSW－3LM－002型焊機進行FSW，攪拌頭直徑為22 mm，攪拌針直徑為6mm，長為8mm。焊接工藝參數(shù)為：焊接速度23.5mm／min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度1 180r／min，攪 拌 頭 傾 角 2.5°。使 用 CONROLLER－4890－100kN電液伺服疲勞試驗機進行接頭疲勞性能試驗，其頻率為0.02Hz～2 000Hz，采用恒定應(yīng)力進行加載，加載方向垂直于焊縫方向，加載系數(shù)正弦波控制。疲勞斷口分析在JSM－5500LV掃描電鏡上進行。

2 實驗結(jié)果的分析與討論

2.1 金相分析

圖1（a）中，右下角是母材區(qū)，晶粒粗大，中部白色區(qū)域為熱機械影響區(qū)，該區(qū)域的晶粒非常細(xì)長并發(fā)生彎折變形，這是因為在熱機作用下發(fā)生不同程度的塑性變形，晶粒與母材的原始組織取向呈一定的角度，熱影響區(qū)金屬沒有受到機械攪拌的作用，與母材相比變化很小，只是由于高溫晶粒比母材略大。圖1（b）為焊核區(qū)，可以看出形成了細(xì)小的等軸晶粒，這是由于該區(qū)域溫度高，金屬在攪拌頭的強烈攪拌摩擦作用下發(fā)生顯著的塑性變形，溫度較高，應(yīng)變速率較大，使之不斷地形成再結(jié)晶晶核［2］，并只發(fā)生有限長大，攪拌頭對晶粒也有一定的破碎作用，因此在該區(qū)形成了細(xì)小、均勻的晶粒。

圖1 焊縫的微觀組織

觀察圖1（b），有明顯的攪拌流線存在，可見典型的“洋蔥環(huán)”形貌。“洋蔥環(huán)”的形成主要和金屬的塑性流動有關(guān)，焊接過程中攪拌針和肩軸作用使金屬分層沿著后退側(cè)遷移，另外應(yīng)力的循環(huán)變化引起金屬塑性變形也會使焊縫金屬分層流動。層間新生成的晶核呈彌散分布，層間與層內(nèi)晶粒形狀不同，從宏觀上看橫剖面上就形成了“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)［3，4］。由于攪拌針區(qū)域摩擦熱輸入不足，在靠近軸肩區(qū)域和焊縫根部位置都沒有攪拌針的直接攪拌作用，所以“洋蔥環(huán)”一般位于焊縫的中部位置，在焊縫的上部和下部“洋蔥環(huán)”逐漸消失。

2.2 XPS分析

用X射線光電子能譜儀分析了試樣表面元素的原子價態(tài)，數(shù)據(jù)見圖2。其中Al以兩種價態(tài)存在，一種是單質(zhì)，另一種是表面單質(zhì)在空氣中氧化生成Al2O3；Si也以兩種價態(tài)存在，即單質(zhì)和硅酸鹽。

由圖2可見，單質(zhì)Al的峰位大概是在72eV，單質(zhì)Si的峰位是99.4eV，在試樣表面，Al和Si大部分都是以單質(zhì)狀態(tài)存在，但是也含有相當(dāng)數(shù)量的氧化鋁及硅酸鹽，這說明FSW過程中試樣表面有氧化。

2.3 疲勞曲線分析

對實驗數(shù)據(jù)采用線性擬合的方法進行處理。對于FSW接頭的高周疲勞性能按下式進行處理：

其中：Δσ為應(yīng)力變化范圍；N為應(yīng)力循環(huán)周次；m為S－N曲線的斜率；C為材料常數(shù)。將上式兩邊取對數(shù)，得：

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出Δσ對N的關(guān)系曲線，見圖3。

圖2 試樣的Al、Si高頻XPS譜

圖3 6005A鋁合金的疲勞曲線

由圖3可見：隨著荷載循環(huán)周次的增加，試樣的疲勞壽命下降；在循環(huán)周次相同時，F(xiàn)SW試樣的疲勞強度低于母材，但是高于 MIG焊；當(dāng)N＞107時，F(xiàn)SW試樣疲勞強度為105MPa，略低于母材的120MPa，約為母材的87.5%。原因是FSW過程中材料塑性流動不連續(xù)，會在表面形成孔洞、鉤等缺陷，從而成為疲勞裂紋源，疲勞裂紋隨后在表面缺陷處開始萌生，之后就進入到裂紋擴展階段。疲勞裂紋首先沿“洋蔥環(huán)”擴展進入焊核區(qū)，由于“洋蔥環(huán)”屬于結(jié)構(gòu)缺陷，位于疲勞裂紋的擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，這樣它就為兩個疲勞裂紋的連接提供了條件，從而降低接頭的疲勞壽命。在前面微觀組織分析中發(fā)現(xiàn)了焊核區(qū)存在“洋蔥環(huán)”，剛好驗證了這一分析。另外在FSW接頭中由于存在表面氧化現(xiàn)象生成了Al2O3，在隨后的焊接過程中由于強烈的攪拌作用，Al2O3破碎殘留在焊縫里，導(dǎo)致在焊縫根部形成Z型缺陷，嚴(yán)重降低接頭的疲勞壽命，這在前面的XPS分析中也得到印證。

2.4 疲勞斷口分析

圖4為疲勞斷口形貌。由圖4（a）可見，斷口形貌是韌窩斷口與準(zhǔn)解理斷口的混合。韌窩中分布著小的粒子及少量的夾雜物，一般情況，滑移系多的面心立方金屬多為韌性斷裂，而實驗中出現(xiàn)了準(zhǔn)解理斷口，原因是接頭中存在缺陷及非金屬夾雜物，在應(yīng)力的作用下與機體的塑性變形不協(xié)調(diào)，第二相從機體中剝離出來而形成［5］。圖4（b）中，從左到右可以看到典型的疲勞斷口的3個區(qū)：疲勞源、疲勞區(qū)和最后的瞬斷區(qū)。疲勞源是疲勞裂紋的萌生地，它對缺陷的敏感程度非常高，由斷口形貌可見，疲勞源內(nèi)有氣孔存在，由于疲勞源較小，該區(qū)比較平滑，沒有斷裂痕跡，該區(qū)連接處于弱連接狀態(tài)，荷載變動時疲勞裂紋首先在這里萌發(fā)［6］。緊鄰的狹長部分是疲勞區(qū)，是由疲勞裂紋的亞穩(wěn)擴展形成的，由圖4（b）的斷口形貌可見，這一部分由于實驗荷載的變動，在裂紋擴展的前沿留下了弧狀的臺階痕跡。右邊較寬的區(qū)域為疲勞裂紋擴展的瞬斷區(qū)，這是裂紋最后失穩(wěn)擴展時所形成的斷口區(qū)域。它的斷口比疲勞區(qū)粗糙，由于疲勞源有多個，在裂紋由表面向心部擴展時，瞬斷區(qū)向中心位置移動。

圖4 疲勞斷口形貌

3 結(jié)論

（1）焊核區(qū)晶粒為細(xì)小等軸晶，熱影響區(qū)范圍窄且晶粒明顯拉長，與母材分界不明顯，晶粒有長大。

（2）FSW接頭的疲勞強度約為母材的87.5%，當(dāng)載荷應(yīng)力為105MPa時，循環(huán)次數(shù)達到2.3×107。疲勞源靠近熱影響區(qū)，斷口形貌為韌窩與準(zhǔn)解理的混合斷口。

（3）FSW接頭的疲勞斷裂與根部缺陷有關(guān)，另外接頭表面有Al2O3生成，在隨后的攪拌中殘留在焊縫里，使接頭疲勞壽命低于母材。熱影響區(qū)晶粒粗大也是接頭疲勞斷裂的主要原因。

［1］ 欒國紅，郭德倫，張?zhí)飩}，等.鋁合金的攪拌摩擦焊［J］.焊接技術(shù)，2003，32（1）：1－4.

［2］ 曹麗杰，劉愛國，李培超.鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞斷裂行為分析［J］.輕合金加工技術(shù)，2010，38（11）：45－48.

［3］ 徐韋風(fēng)，劉金合，欒國紅，等.厚板鋁合金攪拌摩擦焊接頭不同狀態(tài)微觀組織與力學(xué)性能［J］.金屬學(xué)報，2009，45（4）：490－496.

［4］ 王希靖，達朝炳，李晶，等.攪拌摩擦焊縫中的洋蔥環(huán)形成分析［J］.中國有色金屬學(xué)報，2006（10）：35－37.

［5］ 董鵬，孫大千，李紅梅，等.6005A－T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能特征［J］.材料工程，2012（4）：27－31.

［6］ 王大勇，馮吉才，劉會杰，等.Al－Cu－Li合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能［J］.中國有色金屬學(xué)報，2004，14（1）：69－73.