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        2219鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)ECA評定

        2019-05-16 12:21:28曹學(xué)敏田志杰熊林玉張彥華
        宇航材料工藝 2019年2期
        關(guān)鍵詞:貯箱鋁合金摩擦

        曹學(xué)敏 田志杰 熊林玉 馬 核 張彥華

        (1 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院,北京 100191)

        (2 首都航天機械公司,北京 100076)

        文 摘 基于含缺陷結(jié)構(gòu)斷裂評定的COD 設(shè)計曲線與凈截面屈服失效判據(jù),對2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)進行了工程臨界評定(ECA)。分析了2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的臨界裂紋尺寸,確定了不同載荷水平下2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)的表面缺陷容限,并對特定內(nèi)壓下2219 鋁合金運載火箭貯箱筒段攪拌摩擦焊縱縫進行了ECA 評定,為2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)的斷裂控制提供了參考。研究結(jié)果表明,縱向前進邊熱影響區(qū)為2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭斷裂控制的關(guān)鍵區(qū)域,特定內(nèi)壓條件下給定的表面缺陷可以接受。

        0 引言

        2219 鋁合金是可熱處理強化的Al-Cu-Mn 系析出強化型合金,具有較高的室溫強度及良好的高溫和超低溫性能[1],是運載火箭貯箱的常用材料[2]。攪拌摩擦焊工藝與傳統(tǒng)熔焊方法相比,具有無煙塵、無氣孔、無飛濺、無需添加焊絲、焊接時不需使用保護氣體、焊后接頭焊縫晶粒細小、殘余應(yīng)力小以及變形小等優(yōu)點,廣泛用于鋁合金材料的焊接[3-4]。

        2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭是貯箱結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),接頭的斷裂直接導(dǎo)致貯箱結(jié)構(gòu)的失效。為了保障貯箱結(jié)構(gòu)完整性,對2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)進行工程臨界評定(Engineering Critical Assessment,ECA)是斷裂控制的重要環(huán)節(jié)。

        焊接結(jié)構(gòu)ECA 評定是基于“合于使用”原則對缺陷容限進行分析,已建立的評定標準包括英國含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評定標準(R6)、歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評定方法(SINTAP)、美國石油學(xué)會標準(API 579)、英國標準BSI PD6493 的修改版—BS 7910 金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗收評定方法導(dǎo)則等[5-8]。BS 7910 借鑒了R6 和SINTAP 的研究成果,提供了包括COD(Crack Opening Displacement,裂紋張開位移)設(shè)計曲線法和失效評定圖等多種評定方法,COD 設(shè)計曲線法僅需要材料性能、尺寸等基礎(chǔ)的信息,評定過程簡單,在工程實際中應(yīng)用范圍更廣。本文以BS 7910-2013 為參考,針對2219 鋁合金運載火箭貯箱筒段攪拌摩擦焊縱縫中可能存在的表面缺陷,綜合考慮彈塑性斷裂力學(xué)判據(jù)與凈截面屈服判據(jù),根據(jù)運載火箭貯箱的實際工況條件,獲得了貯箱筒段縱焊縫在不同載荷水平下的臨界穿透裂紋容限,進一步將臨界穿透裂紋容限轉(zhuǎn)化為表面缺陷容限,并對特定內(nèi)壓下的貯箱縱焊縫進行了ECA 評定,為2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)斷裂控制提供了參考。

        1 ECA 評定方法

        工程臨界評定技術(shù)(ECA)是指應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論,分析計算結(jié)構(gòu)裂紋臨界尺寸。含缺陷焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為可采用彈塑性斷裂力學(xué)理論來分析,常用的方法是COD 設(shè)計曲線。COD 設(shè)計曲線是一種簡化的圖表方法,工程上可以直接采用圖表的方式對缺陷進行評定。隨著缺陷尺寸的改變,接頭的有效承載面也發(fā)生改變,接頭在發(fā)生斷裂前可能先因屈服而發(fā)生塑性破壞,因此需要綜合考慮彈塑性斷裂與凈截面屈服兩種失效判據(jù)。

        1.1 COD 設(shè)計曲線

        COD 設(shè)計曲線采用彈塑性斷裂準則作為失效判據(jù):將裂紋張開位移作為斷裂韌性的參量,若缺陷處的裂紋張開位移δ 小于極限值δC(材料的裂紋擴展抗力,可通過標準試驗方法測定),即δ<δC,則缺陷對結(jié)構(gòu)的影響較小,反之則比較危險[9]。

        在COD 準則的基礎(chǔ)上,A.A.WELLS[10]率先創(chuàng)立了COD 設(shè)計曲線的理論。COD 設(shè)計曲線建立了含缺陷結(jié)構(gòu)的無量綱裂紋張開位移φ=δ/2πεy與無量綱應(yīng)變ε/εy之間的關(guān)系,圖1為Wells 給出的COD設(shè)計曲線,其關(guān)系式為:

        圖1 COD 設(shè)計曲線Fig.1 COD design curves

        一般而言,焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)力R 不超過Rp0.2,即ε/εy<1 且ε=R/E,由式(1)可知,臨界裂紋尺寸的計算公式為:

        1.2 凈截面屈服

        對于含缺陷焊接結(jié)構(gòu),隨著缺陷尺寸的改變,接頭的有效承載面(凈截面)也發(fā)生改變,結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力會高到使整個凈截面在斷裂前先發(fā)生屈服,最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。對于這種凈截面屈服破壞,可以直接用截面上的凈應(yīng)力與材料的屈服強度關(guān)系建立破壞判據(jù)[11]。將接頭簡化為寬為W 的平板,含有長度為2a的中心裂紋,如圖2所示。在遠場應(yīng)力R 的作用下,接頭發(fā)生凈截面屈服破壞的臨界裂紋尺寸為:

        圖2 焊接接頭簡化Fig.2 Welded joint simplification

        2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力R 與臨界裂紋長度的關(guān)系如圖3所示,陰影區(qū)域為結(jié)構(gòu)安全區(qū),凈截面屈服塑性斷裂線[式(3)]與彈塑性斷裂線[式(2)]相交于A、B 兩點,R1、R2分別為A 點和B 點的應(yīng)力。對于同種鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu),A、B 兩點的位置受板寬W 控制,A、B 兩點對應(yīng)的R 值與W的關(guān)系見式(4),隨W 增大,R1減小,R2增大。當(dāng)R<R1或R>R2時結(jié)構(gòu)的失效受凈截面屈服判據(jù)控制,R1<R<R2時結(jié)構(gòu)的失效受彈塑性斷裂判據(jù)控制,即以式(2)與式(3)得到的臨界裂紋尺寸的較小值作為整個結(jié)構(gòu)的臨界裂紋尺寸。

        圖3 R 與 的關(guān)系Fig.3 Relationship between R and

        1.3 臨界裂紋尺寸與表面缺陷尺寸轉(zhuǎn)化

        圖4 穿透裂紋與表面裂紋[11]Fig.4 Through crack and surface crack[11]

        圖5 穿透裂紋尺寸與表面裂紋尺寸的關(guān)系Fig.5 Relationship between through crack size and surface crack size

        可知,已知壁厚t 的情況下,通過在圖中不同深長比(a/2c)的曲線上找點可以將穿透裂紋長度轉(zhuǎn)換為不同深度a 和長度2c 的表面裂紋。

        2 2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)ECA 評定

        2.1 評定參數(shù)的確定

        在進行ECA 評定之前需要通過試驗的方法確定結(jié)構(gòu)的性能參數(shù),包括:非比例延伸強度Rp0.2、抗拉強度Rm以及裂紋尖端張開位移δ(Crack Tip Opening Displacement,CTOD)。

        試驗所用材料為6 mm 厚的2219 鋁合金試板,攪拌摩擦焊[12]采用的攪拌頭軸肩直徑為24 mm,探針直徑為6 mm,長度5.8 mm,攪拌頭轉(zhuǎn)速為800 r/min,行進速度為220 mm/min,攪拌頭傾角為2°,焊后熱處理狀態(tài)為T6。

        攪拌摩擦焊接頭分為5 個不同的微觀組織區(qū)域:焊核區(qū)(NZ)、熱機影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、軸肩影響區(qū)(SAZ)和母材區(qū)(BM),如圖6所示,這5 個區(qū)域的力學(xué)性能、組織形式各不相同,縱橫向性能指標也不一致。攪拌摩擦焊工藝還存在焊接方向與攪拌頭回轉(zhuǎn)方向匹配問題,每個接頭都有一個前進邊和一個回撤邊,焊縫兩側(cè)的力學(xué)性能也存在差異。

        圖6 接頭各區(qū)域CTOD 試樣取樣位置Fig.6 Sampling location of CTOD samples in different welded joint zones

        通過室溫拉伸試驗測試2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)、縱向接頭、橫向接頭及母材的屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm。通過CTOD 試驗計算2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域臨界CTOD 值δC,由于SAZ覆蓋NZ、TMAZ、HAZ,試驗時取NZ、TMAZ、HAZ、BM四個區(qū)域進行CTOD 測試,其中TMAZ 與HAZ 在前進邊和回撤邊分別試驗,NZ、TMAZ 和HAZ 在縱、橫兩方向分別測試,縱向、橫向接頭示意見圖7。CTOD試樣取樣位置如圖6中虛線所示,試樣制備、試驗步驟參照文獻[13],CTOD 試驗原理見圖8。

        2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸試驗結(jié)果見表1,臨界CTOD 平均值δC的計算結(jié)果見表2。

        圖7 縱向、橫向接頭示意圖Fig.7 Longitudinal and transverse joint

        圖8 CTOD 試驗原理[11]Fig.8 CTOD test principle

        表1 2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸性能參數(shù)Tab.1 Tensile property parameters of friction-stir-welded 2219 aluminum alloy

        表2 2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭δC值Tab.2 The δCvalue of friction-stir-welded 2219 aluminum alloy

        2.2 臨界裂紋尺寸

        2.2.1 臨界裂紋尺寸計算方法

        式(2)和式(3)中的載荷水平pr(R/Rp0.2)是以Rp0.2作為參考,API 1104[14]指出,對于承受一定塑性變形的結(jié)構(gòu),考慮應(yīng)變強化現(xiàn)象,采用流變應(yīng)力Rf作為載荷水平的參考,即pr為結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力R 與流變應(yīng)力Rf的比值(R/Rf),因此結(jié)構(gòu)受彈塑性斷裂力學(xué)控制的臨界裂紋尺寸與受凈截面屈服控制的臨界裂紋尺寸分別由式(5)與式(6)計算:

        對于貯箱等壓力容器,通常以結(jié)構(gòu)承受的內(nèi)壓p描述其實際工況,因此以結(jié)構(gòu)承受的內(nèi)壓表示載荷水平,即:

        式中,pa,pf分別為與結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力R 及結(jié)構(gòu)流變應(yīng)力Rf所對應(yīng)的內(nèi)壓力。

        將貯箱筒段簡化為薄壁圓筒,根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)知識,承受內(nèi)壓值為p 的貯箱筒段,其縱焊縫截面上的周向正應(yīng)力最大,以周向正應(yīng)力Rt作為貯箱筒段承受的設(shè)計應(yīng)力,由式(9)計算:

        式中,p 為貯箱筒段承受內(nèi)壓;D 為貯箱筒段直徑;t為貯箱筒段壁厚。

        2.2.2 臨界裂紋尺寸計算

        2219 鋁合金的彈性模量E 為73 GPa[15],根據(jù)拉伸試驗得到的接頭各區(qū)域Rp0.2值及CTOD 試驗得到的各區(qū)域臨界CTOD 值δC,只考慮彈塑性斷裂力學(xué),將接頭視為含有長度為2a 的中心裂紋的無限大平板,由式(2)確定各區(qū)域臨界裂紋尺寸與應(yīng)力的關(guān)系如圖9所示??梢钥闯觯瑧?yīng)力一定時,縱向前進邊HAZ 的臨界裂紋尺寸最小,為最危險區(qū)域。這里主要分析縱向前進邊HAZ 的缺陷容限,作為2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭的缺陷容限。對于有限板寬的結(jié)構(gòu)則需要考慮凈截面屈服的約束條件。

        對于采用攪拌摩擦焊接工藝的貯箱筒段結(jié)構(gòu),設(shè)其直徑D 為3 350 mm,長度L 為1 000 mm,壁厚t 為8 mm,其流變應(yīng)力為:

        由式(9)可知,流變應(yīng)力對應(yīng)的內(nèi)壓力pf為:

        將貯箱筒段簡化為寬為1 000 mm 的平板,綜合考慮彈塑性斷裂判據(jù)和凈截面屈服判據(jù),如圖10所示,陰影區(qū)域為貯箱筒段結(jié)構(gòu)的安全區(qū)。載荷水平pr<0.12和pr>0.98 時結(jié)構(gòu)的失效受凈截面屈服判據(jù)控制,載荷水平0.12<pr<0.98 時結(jié)構(gòu)的失效受彈塑性斷裂判據(jù)控制。

        圖9 各區(qū)域臨界裂紋尺寸與應(yīng)力關(guān)系Fig.9 Relationship between critical crack size and stress in different zones

        圖10 前進邊HAZ 臨界裂紋尺寸與載荷水平關(guān)系Fig.10 Relationship between critical crack size and stress level in advancing side HAZ

        取載荷水平pr分別為0.2、0.4、0.6、0.8,則由圖10可知,結(jié)構(gòu)的失效受彈塑性斷裂判據(jù)控制,與板寬無關(guān),由式(5)計算貯箱筒段的臨界裂紋尺寸見表3。

        表3 不同載荷水平下貯箱筒段的臨界裂紋尺寸Tab.3 Critical crack sizes of launch vehicle tank in different stress level

        2.3 表面缺陷容限

        根據(jù)圖5將臨界裂紋尺寸轉(zhuǎn)換為深長比(a/2c)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 時的表面缺陷長度與深度。由于BS 7910 中規(guī)定表面缺陷深度不超過壁厚的80%,為提高評定的安全性,當(dāng)a/t>0.8 時,均以0.8 作為相應(yīng)的a/t 值;表面缺陷深度不得超過a/2c=0.5 時的缺陷深度值;表面缺陷長度不得超過a/2c=0.1 時的缺陷長度值。最終得到了如圖11中虛線所示的4 種載荷水平下的2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)缺陷容限,隨著載荷水平的增大,表面缺陷深度臨界尺寸沒有明顯變化,表面缺陷長度臨界尺寸減小。參考美國石油協(xié)會標準API 1104,缺陷深度不超過結(jié)構(gòu)壁厚的50%,缺陷長度不超過結(jié)構(gòu)長度的12.5%,確定了圖11中的水平與豎直兩條截止線,若由圖(5)確定的表面缺陷容限位于截止線之外,則以截止線作為最終缺陷容限;否則以由圖(5)確定的表面缺陷容限作為結(jié)構(gòu)的表面缺陷容限。

        圖11 不同載荷水平下的貯箱筒段表面缺陷容限Fig.11 Surface defect tolerances of launch vehicle tank in different stress level

        若實際結(jié)構(gòu)的表面缺陷尺寸對應(yīng)的評定點在評定曲線之下,則缺陷可以接受,反之則判定失效;若評定點落在評定曲線上,則此時對應(yīng)的尺寸為可以允許的缺陷極限尺寸。

        實際ECA 評定時,依據(jù)式(8)計算的載荷水平確定一條評定曲線。若載荷水平在圖中沒有標明,可以采用接近的評定曲線,或采用更高的載荷水平所對應(yīng)的評定曲線。最后根據(jù)結(jié)構(gòu)壁厚與長度可以將缺陷容限曲線確定。

        設(shè)貯箱筒段的設(shè)計壓力pa為0.5 MPa,存在長度為30 mm,深度為2 mm 的表面缺陷,則評定曲線的載荷水平pr為:pr= pa/pf= 0.5/1.254 = 0.399。

        依據(jù)前述2219 鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)ECA 評定方法,采用相近的較高載荷水平曲線,即載荷水平為0.4,得到圖12中初始評定線。由于焊接缺陷在檢測時存在誤差,參考API 1104 中對缺陷容限修正的方法,通常在缺陷容限的深度方向減少一定的尺寸,深度修正值為無損檢測時的最大誤差,視具體的無損檢測方法而定,若無具體要求,可采用0.25 mm 作為修正值,得到圖12中的修正評定線。同時考慮到API 1104 中規(guī)定的缺陷深度不超過結(jié)構(gòu)壁厚的50%,缺陷長度不超過結(jié)構(gòu)長度的12.5%,取較小值得到圖12中所示的最終評定線。從圖中可以看出,給定的缺陷尺寸對應(yīng)的評定點M 位于曲線所圍成的區(qū)域內(nèi),因此該缺陷可以接受。

        圖12 攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)表面缺陷容限(pa=0.5 MPa)Fig.12 Surface defect tolerances of FSW structure (pa=0.5 MPa)

        3 結(jié)論

        (1)對2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域的臨界裂紋尺寸進行分析,研究表明,相同應(yīng)力水平下,縱向前進邊熱影響區(qū)的臨界裂紋尺寸最小,是2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭斷裂控制的關(guān)鍵區(qū)域。

        (2)依據(jù)BS 7910 給出的臨界穿透裂紋尺寸與表面缺陷尺寸的關(guān)系曲線,以2219 鋁合金貯箱筒段攪拌摩擦焊縱縫為例,確定了不同載荷水平下的表面缺陷容限;給出了內(nèi)壓為0.5 MPa 條件下貯箱筒段的表面缺陷容限,評定結(jié)果表明長度為30 mm,深度為2 mm 的表面缺陷可以接受。

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