搅拌摩擦焊对接接头疲劳裂纹扩展速率试验及模拟研究

摘要

搅拌摩擦焊(FSW)作为一种固相连接技术，在铝合金等轻型合金连接领域比起传统的熔焊技术具有很大的优势。目前国内外许多学者已对FSW技术进行了多方面的研究，比如焊接工艺、焊接缺陷、显微组织等，但是对其接头的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率的研究相对较少，由于焊接接头疲劳过程随机因素影响显著，其各种材料及条件下疲劳数据的积累十分重要。
　　 本文通过高频疲劳试验，对航空铝合金7075-T6铝合金FSW接头预制裂纹穿焊缝中心、前进边、后退边和母材四种形式试样的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。其中焊缝中心试样和母材试样还分别进行了高低循环应力比的疲劳试验，即R=0.1和R=0.5。还通过金相组织观察试验、维氏硬度试验和疲劳断口SEM分析试验进一步的了解接头的疲劳性能。
　　 金相试验发现：FSW接头由焊核区、热机影响区和热影响区组成，其中焊核区由细小等轴晶组成，热机影响区的晶粒受到搅拌作用被拉长，而热影响区晶粒因为热作用略有长大。硬度试验发现：7075-T6铝合金FSW接头的硬度分布呈“W”形，焊核区的硬度值仅低于母材，前进边热影响区的硬度值最低，而且硬度分布与其微观组织的变化相对应。疲劳断口的电镜观察发现：焊缝中心的疲劳断口较平整，断裂形式主要是沿晶断裂，而前进边和后退边在裂纹扩展后期以穿晶断裂为主；母材的疲劳断口比接头的清晰。焊缝中心区的疲劳断口能观察到少量疲劳辉纹，而在前进边和后退边都有大量的疲劳辉纹；母材的断口中的疲劳辉纹更加连续、整齐。
　　 对7075-T6铝合金FSW接头不同区域的疲劳裂纹扩展速率进行对比发现：在低△K区，后退边疲劳裂纹扩展速率最慢，前进边的最快；到了高△K区，前进边的疲劳裂纹扩展速率最慢，焊缝中心的最快。在R=0.1和R=0.5两种情况下，母材的疲劳裂纹扩展速率刚开始都比焊缝中心的快，但随着△K的增长，母材的速率逐渐减小，而焊缝中心的升高，直至二者相等。母材和接头焊缝中心的疲劳裂纹扩展速率都在高应力比时比较快。
　　 应用AFGROW软件模拟的FSW接头各个不同区域和母材试样的疲劳裂纹扩展结果与试验结果十分吻合，所以其模拟是合理有效的。利用AFGROW平台，模拟得到不同应力下试样的疲劳寿命，绘制了各种类型试样的σmax-N曲线，结果表明：7075-T6铝合金FSW接头比母材的疲劳性能好，能承受的最大应力更高；接头和母材都在低循环应力比下具有更好的疲劳性能。