在不同下壓量(0.3，0.7，1.0mm)下對7N01鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊，研究了下壓量對接頭截面形貌、拉伸性能、抗撕裂性能及疲勞性能的影響。結(jié)果表明：下壓量對7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的拉伸性能影響不大；當(dāng)下壓量為0.7,1.0mm時，接頭的啟裂能、裂紋擴(kuò)展能及撕裂強(qiáng)度均相近，但當(dāng)下壓量為0.3mm時，接頭焊縫區(qū)域的啟裂能、裂紋擴(kuò)展能及撕裂強(qiáng)度均顯著降低；隨著下壓量的增加,焊接接頭疲勞強(qiáng)度增大；當(dāng)下壓量為1.0mm時焊接接頭的疲勞性能及抗裂紋擴(kuò)展性能最優(yōu)。
1、 試樣制備與試驗方法
試驗材料采用厚度為5.5mm的7N01鋁合金板，軋制態(tài)，在7N01鋁合金板上取尺寸為150mm×52.5mm×5.5mm的待焊單邊試樣，試樣長邊沿軋制方向。在用數(shù)控銑床改造的攪拌摩擦焊機(jī)上，采用6542高速鋼攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦對接焊，焊接方向沿試樣長度方向，攪拌針為四棱柱帶螺紋型，根部直徑為5mm，針長為4.4 mm。焊接時攪拌針正對著試樣連接界面，無偏移。攪拌頭轉(zhuǎn)速為1100r·min-1，攪拌頭傾角為2.5°，焊接速度為100mm·min-1，下壓量分別為0.3，0.7，1.0mm。
垂直于焊接方向在焊接接頭上取樣，經(jīng)砂紙打磨，機(jī)械拋光后，在光學(xué)顯微鏡下觀察截面形貌。以焊縫為中心，垂直于焊接方向截取尺寸為105mm×20mm×5.5mm的拉伸試樣，取樣位置和試樣形狀如圖1(a)所示。根據(jù) GB/T 228-2002，采用電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1mm·min-1，各測3個試樣。采用掃描電鏡(SEM)觀察接頭拉伸斷口形貌。在焊接接頭母材和接頭區(qū)域截取如圖1(b)所示的撕裂試樣，試樣上開V型缺口，缺口分別位于熱影響區(qū)(距焊縫邊緣0.5mm)、遠(yuǎn)離焊縫區(qū)(距焊縫邊緣3mm)、焊縫中心，其中母材試樣以及缺口在熱影響區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫區(qū)試樣的缺口垂直于焊接方向，缺口在焊縫中心試樣的缺口平行于焊接方向。根據(jù)ASTM E1820-2001，采用電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行室溫撕裂試驗，撕裂速度為1mm·min-1，加載前對其施加400N預(yù)載荷，以消除夾具和試樣間的間隙。以焊縫為中心，垂直于焊接方向截取尺寸如圖1(c)所示的疲勞試樣，根據(jù)ASTM E466-2015，采用高頻疲勞試驗機(jī)進(jìn)行疲勞試驗，按照成組法進(jìn)行疲勞壽命測試，確定疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力-疲勞壽命(S-N)曲線，應(yīng)力循環(huán)比R取0，循環(huán)次數(shù)最高為107次，各測3個試樣。以循環(huán)107周次對應(yīng)的應(yīng)力為疲勞強(qiáng)度。
2、 試驗結(jié)果與討論
2.1 接頭截面形貌
圖2中虛線部分為焊縫區(qū)域。由圖2可見，當(dāng)下壓量為0.3mm時，焊縫根部存在明顯的未焊透部位。隨著下壓量的增大，根部未焊透現(xiàn)象得到顯著改善。
2.2 對拉伸性能的影響
7N01鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度為434.65MPa，屈服強(qiáng)度為295.56MPa，斷后伸長率為16%。由圖3計算可知：當(dāng)下壓量為0.3，0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度分別為351.78，324.82，352.70MPa；屈服強(qiáng)度分別為241.72，232.13，243.63MPa。在3種不同下壓量下，接頭的抗拉強(qiáng)度與母材相比變化不大，均可達(dá)到母材的80%左右。
在3種下壓量下，接頭的拉伸斷裂位置均位于焊縫中心，宏觀斷裂形貌相似，選取下壓量為0.7mm時的接頭進(jìn)行拉伸斷口分析。由圖4可見，整體拉伸斷口包括上中下3個部分，上部和下部斷口均較粗糙，中部斷口撕裂條紋比較明顯，這是因為焊縫中心由于攪拌作用存在洋蔥環(huán)的形貌特征，在斷裂過程中裂紋會沿洋蔥環(huán)擴(kuò)展。上部和下部的斷口具有明顯的韌窩特征，這說明在試樣上下表面附近發(fā)生塑性斷裂。中部斷口撕裂條紋上也存在明顯韌窩，在條紋的斜面部分也具有明顯的小尺寸韌窩特征。綜上可知，接頭整體上屬于塑性斷裂。
2.3 對抗撕裂性能的影響
母材的啟裂能為(43±2)kN·mm，裂紋擴(kuò)展能為(13±2)kN·mm。由圖5(a)可見：缺口在焊縫中心試樣在下壓量為1.0mm和0.7mm時的啟裂能均與母材相近，說明此時焊縫區(qū)域具有較好的縱向抗啟裂能力，但下壓量為0.3mm時的縱向抗啟裂能力較差；缺口在熱影響區(qū)試樣在3種下壓量下的啟裂能相近，但與母材相比均下降較多，說明熱影響區(qū)屬于接頭的性能薄弱部位；缺口在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)試樣在3種下壓量下的啟裂能相近，與母材相近，說明遠(yuǎn)離焊縫區(qū)(距焊縫邊緣3mm)具有優(yōu)良的抗啟裂能力。由圖5(b)可見：缺口在焊縫中心試樣在下壓量為1.0mm和0.7mm時焊縫的裂紋擴(kuò)展能均高于母材，說明焊縫區(qū)域具有較好的縱向抗裂紋擴(kuò)展能力，但當(dāng)下壓量為0.3mm時焊縫的縱向抗裂紋擴(kuò)展能力低于母材；缺口在熱影響區(qū)試樣的裂紋擴(kuò)展能隨著下壓量增大而提高，且3種下壓量下的裂紋擴(kuò)展能較母材均有所提高，說明熱影響區(qū)具有優(yōu)良的抗裂紋擴(kuò)展能力；對于缺口在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的試樣，在3種下壓量下接頭裂紋擴(kuò)展能相比母材都有較大提高，說明遠(yuǎn)離焊縫區(qū)(距焊縫邊緣3mm)具有優(yōu)良的抗裂紋擴(kuò)展能力。
結(jié)合圖5(a)和(b)可知：在相同下壓量和缺口位置的條件下試樣的裂紋擴(kuò)展能均小于啟裂能，說明接頭和母材的抗裂紋擴(kuò)展能力都低于其抗啟裂能力。綜合考慮不同下壓量和不同缺口位置接頭的啟裂能和裂紋擴(kuò)展能，當(dāng)下壓量為0.7，1.0mm 時，接頭的啟裂能和裂紋擴(kuò)展能相近。
母材的撕裂強(qiáng)度為(580±10)MPa。由圖6可見：在下壓量為1.0mm和0.7mm 時，缺口在焊縫中心試樣的撕裂強(qiáng)度均與母材相近，說明焊縫區(qū)域具有較好的縱向抗撕裂性能，但下壓量為0.3mm時焊縫的縱向撕裂強(qiáng)度明顯低于母材；3種下壓量下缺口在熱影響區(qū)試樣的撕裂強(qiáng)度均低于母材，說明接頭的熱影響區(qū)抗撕裂性能較差，是薄弱部位；在3種下壓量下缺口在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)試樣的撕裂強(qiáng)度均低于母材但高于缺口在熱影響區(qū)試樣，說明遠(yuǎn)離焊縫區(qū)(距焊縫邊緣3mm)具有優(yōu)良的抗撕裂性能。綜上可知，當(dāng)下壓量為0.7,1.0mm 時接頭具有較高的撕裂強(qiáng)度。
2.4 對疲勞性能的影響
由圖7可見，當(dāng)下壓量分別為0.3，0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的疲勞強(qiáng)度分別為69.50，103.60，119.02MPa；疲勞強(qiáng)度隨下壓量增加而增大。造成疲勞性能差別的原因可能是接頭不同部位的抗啟裂和抗裂紋擴(kuò)展能力不同，隨著下壓量的增加，接頭抗啟裂和抗裂紋擴(kuò)展能力逐漸增大，導(dǎo)致接頭整體疲勞強(qiáng)度提高。
下壓量的增加，可有效減少根部未焊合缺陷，增強(qiáng)接頭根部抗裂紋啟裂和裂紋擴(kuò)展能力，從而增大接頭的疲勞強(qiáng)度。下壓量為1.0mm時7N01鋁合金FSW 接頭的疲勞性能及抗裂紋擴(kuò)展性能最優(yōu)。
3、 結(jié) 論
(1)當(dāng)下壓量為0.3，0.7，1.0mm 時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的拉伸斷裂位置均位于焊縫中心，其抗拉強(qiáng)度分別為351.78，324.82，352.70MPa，均達(dá)到母材的80%左右，下壓量對接頭抗拉強(qiáng)度影響不顯著。
(2)當(dāng)下壓量為0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的啟裂能、裂紋擴(kuò)展能及撕裂強(qiáng)度相近，但當(dāng)下壓量為0.3mm時，接頭焊縫區(qū)域的啟裂能、裂紋擴(kuò)展能及撕裂強(qiáng)度顯著降低。
(3)當(dāng)下壓量為0.3，0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的疲勞強(qiáng)度分別為69.50，103.60，119.02MPa，隨下壓量的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增大。
引用本文：
周平，戴啟雷，周林，等.下壓量對7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2023，47（4）：23-27.
Zhou P, Dai Q L, Zhou L, et al. Effect of Press Amounton Properties of 7N01 Aluminum Alloy Friction Stir Welding Joint, 2023, 47（4）: 23-27.
DOI:10.11973/jxgccl202304005
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