航空铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展速率试验研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.37M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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航空铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展速率试验研究 http://www.paper.edu.cn 吴海亮，杨新岐，陈加华，乔文广天津大学材料学院，天津 (300072) E-mail: tywhl888@163.com 摘要：本实验通过高频疲劳实验，对航空铝合金 LC4CS 和 7075-T6 搅拌摩擦焊预制裂纹穿焊缝中心，预制裂纹穿焊缝前进边，预制裂纹穿焊缝后退边，预制裂纹垂直于焊缝四种形式焊接接头疲劳性能进行了研究，LC4CS 铝合金 FSW 接头抗疲劳裂纹扩展能力不如 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接接头，但是相差不大。IIW 疲劳试验设计标准对于 FSW 接头是比较保守的。该实验为建立合理的搅拌摩擦焊接接头的疲劳评定规范提供重要依据,从而推动搅拌摩擦焊接技术在航天领域的广泛应用。关键词：搅拌摩擦焊；疲劳性能；铝合金；疲劳裂纹扩展速率；da/dN 曲线中图分类号：TG4 1. 引言由于搅拌摩擦焊接有传统的熔焊相比有无法比拟的优点，采用先进的搅拌摩擦焊工艺替代传统的铆接/紧固连接工艺，有可能减轻航空结构重量和降低制造成本，这为改进传统航空制造技术、进一步提高航空工业经济效益提供重要基础。一些研究表明搅拌摩擦焊接接头和熔焊接头(MIG 焊、等离子弧焊、激光焊、电焊)的疲劳性能相当甚至更好[1,2,3,4]，预计以后铝合金将主要有搅拌摩擦焊连接，而疲劳性能和腐蚀性能是影响接头使用的两大主要影响因素。而国内对于搅拌摩擦焊接头疲劳性能的研究尚属空白，该实验为推广和应用这项技术，建立合理的搅拌摩擦焊接接头的疲劳评定规范提供重要依据,从而推动搅拌摩擦焊接技术在航天等领域的广泛应用。 2. 材料与实验步骤 2.1 实验材料试验材料有 7075-T6 和 LC4CS 两种铝合金，7×××系列，组别：以锌为主要元素的铝合金。搅拌摩擦焊接原始试板由中国搅拌摩擦焊接技术中心北京赛福斯特有限公司提供， LC4CS 铝合金新牌号为 7A04，CS 表示淬火后人工时效。铝合金 7075-T6，母材热处理状态为 T6，即固溶热处理后进行人工时效。 7075 和 LC4 铝合金化学成分分别见表 2-1、表 2-2 所示：表2-1 7075铝合金化学成分合金元素 Zn Mg Cu Cr 5.1～6.1 2.1～2.9 1.2～2.0 0.18～0.28 Mn 0.3 Fe 0.5 Si 0.4 Ti 0.2 Al 余量表2-2 LC4铝合金化学成分合金元素 Zn Mg Cu Cr Mn 5.0～7.0 1.8～2.8 1.4～2.0 0.1～0.25 0.2～0.6 Fe 0.5 Si 0.5 Ti 0.1 Al 余量 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 表 2-3 室温下 LC4(7A04)和 7075 铝合金的力学性能材料 LC4CS 母材 7075-T6 母材 LC4CS 接头 7075-T6 接头屈服强度 σ0.2/MPa 543±4 450±18 328±3 331±4 抗拉强度 σb/MPa 577±4 510±17 450±6 450±4 延伸率 δ/% 11.5±2 14±1 4.6±0.4 5.5±0.5 截面收缩率疲劳强度特征值 ψ/% — — — — ∆σk/MPa 80 80 — — 试样为紧凑拉伸试样，分为预制裂纹穿焊缝中心，预制裂纹穿过前进边，预制裂纹穿过后退边，预制裂纹垂直于焊缝四种形式，其中穿过裂纹中心的试样预制裂纹长度 a0 为 14mm，其余试样预制裂纹长度 a0 为 19mm，板厚 4.85mm。试样加载线到其光边的距离 W 为 70mm。其中前进边和后退边距离焊缝中心线都为 5mm。 7075-T6 和 LC4CS 铝合金试样板材在焊接后自然时效 30 天后，对所有焊缝进行 X 射线无损探伤试验，未发现任何缺陷。 2.2 实验步骤疲劳试样切好后分别用 800 号、1000 号的金相砂纸打磨光滑，以消除试样边缘可能存在的加工缺陷，尽量消除加工缺陷对疲劳裂纹扩展速率的影响。在 PLG-20C 高频疲劳试验机上进行，应力比为 0.06。加载频率为 80-128 赫兹。试验前，在试件外表面上画等间距的刻线，间距为 1mm，试验时，采用自己制作的夹具先固定试样，预制裂纹分别穿过焊缝中心、穿过前进边、穿过后退边试样加载方向与焊缝垂直，预制裂纹垂直于焊缝试样加载方向与焊缝平行。然后设置好静载和动载后起振，试件承受交变载荷，循环次数 Ni 可以从与疲劳试验机所连接的电脑上读出，读出 Ni 的同时，用显微镜直接测出试样表面的裂纹扩展长度 ai。从而可以测出一组对应 ai 和 Ni 的数值，直至试样断裂。根据试验记录的数据，绘制 a-N 曲线及 da/dN- K△ 曲线。 3. 试验结果与讨论 3.1 不同铝合金相同形式试样的疲劳裂纹扩展速率的对比为了更好的分析比较 7075-T6 和 LC4CS 铝合金搅拌摩擦焊头疲劳扩展速率，现将预制疲劳裂纹的位置相同的试样的 da/dN- K△ 曲线绘制到同一个坐标系中，以便更好的分析。预制裂纹穿过焊缝中心，预制裂纹穿过前进边，预制裂纹穿过后退边，预制裂纹垂直于焊缝四种形式的两种铝合金 FSW 接头试样的 da/dN- K△ 曲线对比图分别如图 3-1，图 3-2，图 3-3，图 3-4 示： (1) 7075-T6 与 LC4CS 铝合金 FSW 接头（预制裂纹穿焊缝中心试样）疲劳裂纹扩展速率对比 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 7075 FSW joint（center） 7075 FSW joint（center） 7075 FSW joint（center） 7075 FSW joint（center） Linear Fit of 7075 FSW joint Lc4 FSW joint（center) Linear Fit of Lc4 FSW joint 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 101 l ) e c y c / m ( N d / a d ∆K (MPa.m1/2) 图3-1 7075-T6与LC4CS铝合金FSW接头预制裂纹穿焊缝中心试样疲劳裂纹扩展速率对比图从图 3-1 可以看出在本实验中 7075-T6 铝合金预制裂纹穿焊缝中心试样与同试样的 LC4CS 铝合金相比，在较小的 K△ 时，7075-T6 铝合金预制裂纹穿焊缝中心试样在循环载荷下已经开始扩展，而同试样的 LC4CS 铝合金 FSW 接头裂纹还没有扩展。在同样的 K△ 时， LC4CS 铝合金预制裂纹穿焊缝中心试样疲劳裂纹扩展速率稍微大于同试样的 7075-T6 铝合金。在 LC4CS 铝合金预制裂纹穿焊缝中心试样中发现了贯穿性缺陷和飞边缺陷，如果改进搅拌摩擦焊接工艺，消除焊接缺陷，LC4CS 铝合金（预制裂纹穿焊缝中心试样）FSW 接头的疲劳性能会优于同试样 7075-T6 铝合搅拌摩擦焊接接头。 (2) 7075-T6 与 LC4CS 铝合金 FSW 接头（预制裂纹穿焊缝前进边试样）疲劳裂纹扩展速率对比 7075 FSW joint （advance） 7075 FSW joint （advance） Linear Fit of 7075 FSW joint LC4 FSW joint（advance) LC4 FSW joint（advance) LC4 FSW joint（advance) Linear Fit of LC4 FSW joint 10-5 10-6 10-7 l ) e c y c / m ( N d / a d 10-8 101 ∆K (MPa.m1/2) 图3-2 7075-T6与LC4CS铝合金FSW接头预制裂纹穿焊缝前进边试样疲劳裂纹扩展速率对比图 - 3 -

从图 3-2 可以看出在本实验中 7075-T6 铝合金和 LC4CS 铝合金 FSW 接头试样（预制裂纹穿焊缝前进边试样）在相同的应力强度因子范围 K△ 时疲劳裂纹开始扩展，LC4CS 铝合金预制裂纹穿焊缝前进边试样疲劳裂纹扩展速率稍微大于同试样的 7075-T6 铝合金。 (3) 7075-T6 与 LC4CS 铝合金 FSW 接头（预制裂纹穿焊缝后退边试样）疲劳裂纹扩展 http://www.paper.edu.cn 速率对比 7075 FSW joint （retreat） 7075 FSW joint （retreat） Linear Fit of 7075 FSW joint LC4 FSW joint（retreat） LC4 FSW joint（retreat） LC4 FSW joint（retreat） Linear Fit of LC4 FSW joint 10 10-6 10-7 ) e l c y c / m ( N d / a d 10-8 101 ∆K (MPa.m1/2) 图3-3 7075-T6与LC4CS铝合金FSW接头预制裂纹穿焊缝后退边试样疲劳裂纹扩展速率对比图从图 3-3 可以看出在本实验中 LC4CS 铝合金试样 FSW 接头（预制裂纹穿焊缝后退边试样）的疲劳裂纹扩展所需的应力强度因子范围 K△ 相当，在整个疲劳裂纹扩展过程中， LC4CS 铝合金试样 FSW 接头（预制裂纹穿焊缝后退边试样）疲劳裂纹扩展速率明显大于同试样的 7075-T6 铝合金 FSW 接头。 - 4 -

http://www.paper.edu.cn 10-5 10-6 7075 FSW joint （vertical） Linear Fit of 7075 FSW joint LC4 FSW joint（vertical） LC4 FSW joint（vertical） Linear Fit of LC4 FSW joint l ) e c y c / m ( N d / a d 10-7 10-8 101 图3-4 7075-T6与LC4CS铝合金FSW接头预制裂纹垂直于焊缝试样疲劳裂纹扩展速率对比图 ∆K (MPa.m1/2) 从图 3-4 可以看出在本实验中 LC4CS 铝合金 FSW 接头试样（预制裂纹垂直于焊缝试样）的疲劳裂纹扩展所需应力强度因子范围 K△ 相当，从图中拟合点可以看出，随着 K△ 的增大，它们的疲劳裂纹扩展速率都是先升后降，然后又逐渐上升，曲线走向趋势基本一致。这主要是裂纹经焊缝扩展到热影响区然后进入母材，介质变化造成。在 K△ 较小时，7075-T6 铝合金试样 FSW 接头（预制裂纹垂直于焊缝试样）疲劳裂纹扩展速率稍微高于同试样的 LC4CS 铝合金 FSW 接头，随着 K△ 的增大，随后 LC4CS 铝合金 FSW 接头试样（预制裂纹垂直于焊缝试样）疲劳裂纹扩展速率大于同试样的 7075-T6 铝合金 FSW 接头，而且差距不断增大。 7075-T6 铝合金 FSW 接头与 LC4CS 铝合金 FSW 接头（预制裂纹垂直于焊缝试样）抗疲劳裂纹扩展速率能力相当。 3.2 同种铝合金不同形式试样的疲劳裂纹扩展速率的对比为了更好的了解同种铝合金预制裂纹垂直于焊缝试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样、预制裂纹穿焊缝后退边试样、预制裂纹传焊缝中心试样在相同的 K△ 疲劳裂纹扩展速率之间的关系，现将四种试样的 da/dN- K△ 曲线绘制到同一个坐标系中，由于试样从裂纹扩展到断裂对应的应力强度因子范围 K△ 在区间[12 MPa·m1/2,30 MPa·m1/2]，故横坐标选取区间[12 MPa·m1/2,30 MPa·m1/2]，并与 IIW 疲劳试验标准进行了对比(C0 = 4.28×10-9 MPa·m1/2， m=3)。 - 5 -

http://www.paper.edu.cn LC4 FSW joint（center） LC4 FSW joint（advance) LC4 FSW joint（retreat） LC4 FSW joint（vertical） IIW Fatigue Recommendations 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 101 l ) e c y c / m ( N d / a d 图3-5 LC4CS铝合金FSW接头（四种不同形式的试样）疲劳裂纹扩展速率对比图 ∆K (MPa.m1/2) 由图 3-5 可以看出，同样的应力强度因子范围 K△ ，IIW 疲劳试验标准推荐的疲劳扩展速率明显高于四种不同形式的 LC4CS 铝合金 FSW 接头试样，是比较保守的。对于四种不同形式的试样，在 K△ 较小的时，疲劳裂纹扩展速率由大到小次序依次为：预制裂纹垂直于焊缝试样、预制裂纹穿焊缝后退边试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样、预制裂纹穿焊缝中心试样。由图 3-5 下面三条直线相交可以看出，随着 K△ 的增大，预制裂纹穿焊缝后退边试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样和预制裂纹穿焊缝中心试样的疲劳裂纹扩展速率相等，但都低于预制裂纹垂直于焊缝试样。 K△ 继续增大，四种试样的疲劳裂纹扩展速率从大到小依次为：预制裂纹穿焊缝中心试样、预制裂纹垂直于焊缝试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样、预制裂纹穿焊缝后退边试样。其中预制裂纹穿焊缝前进边试样和预制裂纹垂直于焊缝试样的疲劳裂纹扩展速率接近。预制裂纹穿焊缝中心试样的疲劳裂纹扩展速率之所以随着 K△ 的增大迅速加快，这与金相试验中发现该试样存在贯穿性缺陷有关，它严重提高了 LC4CS 铝合金搅拌摩擦焊接接头的疲劳裂纹扩展速率，对疲劳性能不利。在实际生产中应该优化焊接参数，主要是调整好搅拌工具旋转速度、移动速度和轴肩压力三者之间的关系，消除焊接缺陷，降低这些缺陷对接头疲劳裂纹扩展速率的影响，进而减少焊接结构断裂，减少由此酿成的事故。 - 6 -

http://www.paper.edu.cn 7075 FSW joint（center） 7075 FSW joint（advance) 7075 FSW joint（retreat） 7075 FSW joint（vertical） IIW Fatigue Recommendations 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 101 l ) e c y c / m ( N d / a d 图3-6 7075-T6铝合金FSW接头（四种不同形式的试样）疲劳裂纹扩展速率对比图 ∆K (MPa.m1/2) 由图 3-6 可以看出，同样的应力强度因子范围 K△ ，IIW 疲劳试验标准推荐的疲劳扩展速率明显高于四种不同形式的 7075-T6 铝合金 FSW 接头试样，是比较保守的。对于四种不同形式的试样 7075-T6 铝合金 FSW 接头，很明显，预制裂纹穿焊缝后退边试样抗疲劳裂纹扩展能力最好。对于其他三种试样，在 K△ 较小的时，疲劳裂纹扩展速率由大到小次序依次为：预制裂纹垂直于焊缝试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样、预制裂纹穿焊缝中心试样。随着 K△ 的增大，四种试样的疲劳裂纹扩展速率从大到小依次为：预制裂纹穿焊缝中心试样、预制裂纹垂直于焊缝试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样。焊缝中心虽然为等轴细小晶粒，但是疲劳性能不是最好，这可能横向残余应力有关，横向残余应力在拉拉载荷下减小了应力强度范围。 4. 结论 1. 本文中 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头预制裂纹穿焊缝中心试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样、预制裂纹穿焊缝后退边试样、预制裂纹垂直于焊缝试样疲劳裂纹扩展速率方程分别为：da/dN=2.5058×10-12 ( K)△ 4.08、da/dN=4.6002×10-11( K)△ 3.05、da/dN= 1.8213×10-11 ( K)△ 3.16、da/dN=4.9165×10-10( K)△ 2.44。 LC4CS 铝合金搅拌摩擦焊接头预制裂纹穿焊缝中心试样、预制裂纹穿焊缝前进边试样、预制裂纹穿焊缝后退边试样、预制裂纹垂直于焊缝试样的疲劳裂纹扩展速率方程分别为： da/dN=1.8382×10-12( K)△ 4.27 、 da/dN=1.6872×10-11( K)△ 3.49 、 da/dN=6.2811×10-11 ( K)△ 3.01 、 da/dN=1.1229×10-10( K)△ 2.95。 IIW 疲劳试验标准推荐的 C 和 m 值对于 FSW 接头是比较保守的。 2. K△ 较小时，预制裂纹垂直于焊缝试样疲劳裂纹扩展速率最快。 K△ 较大时，预制裂纹穿焊缝后退边试样疲劳裂纹扩展速率最慢，预制裂纹穿焊缝中心试样疲劳裂纹扩展速率最快。试验表明尽管焊核区为细小等轴晶，然而抗疲劳裂纹扩展能力不是最好，这可能与接头 - 7 -

中存在的残余应力有关。LC4CS 铝合金 FSW 接头疲劳裂纹扩展速率快于 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接接头，但是相差不大。 http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1] A.Kluken,M.Ranes,Alumium Bridge Constructions—Welding Technology and Fatigue Properties, Svetsaren, 1995,50(3):13-15. [2] G.Leijon, A.Melander,M.Larsson,J.Linder, J.Larsson, S. E.Stenfors, I.Peyyersson,P.Benson, Fatigue Behavior of Shear Loaded Joints Between Aluminium Extruded Profils and Aluminum Sheets, INALCO, Conference Proceedings,Munich,2001. [3] P.J.Haagensen,O.T.Midling,M.Ranes,Fatigue Performance of Friction Stir Butt Welds in a 6000 Series Aluminium Alloy, Computational Mechanics Publications (USA),1995. [4] Mats Ericsson. Fatigue Strength of Friction Stir Welded Joint in Aluminium, Doctoral Thesis,2005:38-45. Investigation of Fatigue Crack Propagation Rate of Friction Stir Welded Aerial Aluminum Alloys Wu Hailiang, Yang Xinqi, Chen Jiahua, Qiao Wenguang College of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin (300072) Abstract This study through high-frequency fatigue experiments, fatigue properties of the aerial aluminum LC4CS and 7075-T6 FSW joints prefabricated crack wear through weld seam center, prefabricated crack through weld advance edge, prefabricated cracks through retreat side ,prefabricated cracks vertical to welding seam samples have been studied. 7075 - T6 aluminum FSW joint anti-fatigue crack propagation capacity is better than LC4CS aluminum alloy friction stir welded joints, but little difference. IIW fatigue test design standard is relatively conservative for FSW joints. The experiment provide an important basis to establish a reasonable friction stir welding joint fatigue assessing norms, thus promoting the application of friction stir welding technology in the field of aerospace. Keywords: Friction Stir Welding; fatigue performance, aluminum alloy; fatigue crack propagation rate, da/dN curve - 8 -

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