铝合金2024-T4搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能分析.pdf

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1、第32卷第3期航空材料学报VoI．32．No．32012年6月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSJune2012铝合金2024．T4搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能分析徐效东，杨新岐，周光，佟健华(1．天津大学材料科学与工程学院天津市现代连接技术重点实验室，天津300072；2．中国搅拌摩擦焊中心北京赛福斯特技术有限公司，北京100024)摘要：研究了铝合金2024一T4搅拌摩擦焊(FSW)搭接接头的微观组织特征和疲劳性能。结果表明，搭接接头后退侧热力影响区晶粒变形程度较前进侧严重。疲劳试样断裂位置均位于弱连接缺陷向上“拉起”较严重的焊核区后退侧。当应力比为0

2、．1时，铝合金搅拌摩擦焊搭接接头对应于95％存活率的疲劳强度特征值Ao-为18．25MPa，与铝合金熔焊搭接接头的Atr为13．92MPa相比，增加了31．11％。与此同时，FSW搭接接头疲劳Js一Ⅳ曲线斜率m为5．39，大于熔焊接头所对应的S—N曲线斜率范围3．0～3．5，可见在长寿命区搭接接头的疲劳性能优于熔焊接头。搭接接头的裂纹源位于搭接接头上板底部位置的表面缺陷或者强化相颗粒处，对应于弱连接缺陷处。关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；搭接接头；微观组织；疲劳性能DOI：10．3969／j．issn．1005-5053．2012．3．009中图分类号：TG453．9文献标识码：A文章

3、编号：1005—5053(2012)03-0051-06搅拌摩擦焊(FSw)作为一种新型的固相连接希靖指出搅拌摩擦焊接头具有细小的等轴晶粒技术，引起了国内外学者的广泛关注。在航空航和狭窄的热影响区，阻碍了滑移带的形成和裂纹的天等工程实际结构制造领域，搭接接头是关键的连扩展，从而提高了接头的疲劳性能。接形式之一，如传统的飞机机身蒙皮、加筋板、机翼目前国内对W搭接焊工艺的研究开发还处框架等。2XXX和7XXX系列高强铝合金在航空于初始阶段，对其组织特征缺乏系统的认识。由于工业中具有广泛的应用，当采用TIG或者激光等传FSW铝合金的疲劳标准还没有建立，搭接接头疲劳统熔焊方法焊接时，接头强

4、度低且变形严重，难以取性能方面的研究更是少之又少。本工作主要研究铝代结构复杂、加工费时的铆接接头。FSW的出现解合金2024一T4FSW搭接接头组织形貌和疲劳性能，决这一难题提供新途径，可使飞机结构简单化、减轻计算分析了疲劳寿命和疲劳特征值，同时对接头微重量并且提高结构的可靠性。观组织形貌和疲劳断口进行了观测。FSW搭接接头分为四个区域：母材区(BM)；焊核区(NZ)；热力影响区(TMAZ)和热影响区1试验材料及方法(HAZ)，各区之间晶粒大小不一，具有不同的组织结构’。FSW搭接接头在搭接界面的焊缝边缘存试验材料为厚度为6mm铝合金2024一T4板材，在两个类似裂纹的未焊接区域(

5、弱连接缺陷)，该缺为Al—Cu—Mg系硬铝型合金，被称为硬铝，可热处理陷造成搭接接头有效截面积减小，从而影响接头强强化，该合金的性能随热处理状态不同有较大差异，度，尤其是疲劳强度。Fersinil3指出搭接接头静载具有较高的抗拉强度和良好的切削加工性能，其综强度较高，但是疲劳强度却仅有静载强度的15％左合力学性能和高温抗蠕变性能优良，高温软化倾向右。Encsson通过研究发现采用凹形端头的搅拌小，可用作受热零部件。材料化学成分及力学性能头，轴肩直径越大，焊后搭接接头疲劳性能越好。王如表1和表2所示。试验用FSW搭接接头均由北京赛福斯特技术有收稿日期：2011-07—30；修订日期：

6、2012-03．16限公司(中国搅拌摩擦焊中心)制备，搅拌头形状为锥基金项目：国家自然科学基金资助项目(50775159)形螺纹状，倾角为2．5。，轴肩直径为15mm，搅拌针长作者简介：徐效东(1986一)，男，硕士研究生，主要从事搅拌度为5．85rmn，逆时针旋转。采用PLG-200C型高频摩擦焊工艺研究，(E—mail)xuxiaodong@tju．edu．en通讯作者：杨新岐，教授，主要从事材料加工工程研究，(E—拉压疲劳试验机进行．s．Ⅳ疲劳试验。试验前，所有疲mail)xqyang@tju．edu．ca。劳试样边缘全部经过打磨处理以避免出现表面应力航空材料学报第32卷接头

7、上板焊核区硬度比母材硬度低，约为120HV，度，c和C为5一Ⅳ曲线中材料常数。产生这种软化现象是由于FSW过程中的热循环效厂一m厂应使得母材的固溶强化作用受到了影响。随着距离Ao-m√，Ao-√焊缝中心距离的增加，维氏硬度值开始减小，达到谷(4)底点后开始增加直至达到母材硬度。硬度软化区位所得S．Ⅳ曲线斜率m为5．39，该数据与熔焊接头S-于接头前进后退两侧的HAZ，硬度最小值为103．Ⅳ设计曲线斜率比较有较大差异。对铝合金熔焊接3HV，位于后退侧距焊缝中心7mm处。