陈加华1，杨新岐1，吴海亮1，栾国红2
1天津大学材料科学与工程学院，北京 (300072)
2中国搅拌摩擦焊中心北京搅拌摩擦焊技术有限公司，北京 (100024)
E-mail：chenjiahua2008@!26
摘要：搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型固相连接技术在铝合金等轻型合金连接方面具有
很大的优势，建立合理有效的疲劳评定标准是FSW技术推广和应用的必要条件。本文通过
对7075-T6FSW接头不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行实验，来研究铝合金FSW接头的疲 劳性能。实验结果表明：后退边HAZ疲劳裂纹扩展速率最慢，而垂直于焊缝区的扩展速率 则最快；焊缝中心区的扩展速率在低△K区会低于前进边HAZ，而到裂纹扩展后期，疲劳
裂纹扩展速率会高于前进边HAZ；与IIW标准的推荐值相比，所有区域的疲劳裂纹扩展速
率均显著低于推荐值，这说明FSW接头的疲劳性能较好。
关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；疲劳裂纹扩展速率；焊接缺陷
1．引言
进入21世纪，能源问题已经成为世界上所有国家经济发展的制约因素，节约能源成为大
家的共识，而构件轻量化是其中重要途径，铝合金的使用能大大减轻构件的重量。铝合金材
料具有比强度高，耐腐蚀和易成形等一系列优点，如7xxx系列，在航空、航天、高速列车和
高速舰船等工业制造领域得到越来越广泛的应用。但是，铝合金具有熔点低、热传导系数较
大、热膨胀率高等特点，如采用传统熔焊连接时，将很难保证接头质量[1]。
搅拌摩擦焊（Fiction Stir Welding, 简称FSW）是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的
新型固相连接技术，并在全世界范围内申请了专利保护[2]，被誉为是继激光焊接后最为革命
性的连接方法。国内外已有大量实验证明：FSW技术能很好地连接铝合金，且接头强度比熔
焊有很大提高。但在国内关于搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究的文献还非常之少，尤其是疲劳
裂纹扩展速率的文章。本文将对7075-T6铝合金FSW接头疲劳裂纹扩展速率进行研究，实验
结果将给疲劳评定机制的建立提供实验依据。
2．实验原理及方法
本试验所采用的材料为铝合金7075-T6，母材热处理状态为T6，其化学成分和基本力学
性能见表2-1和2-2。
表2-1铝合金7075 化学成分
材料 Zn Mg Cu Cr Mn Fe Si Al
7075 5.1~6.1 2.1~2.9 1.2~2.0 0.18~0.28 0.30 0.50 0.40 其余
表2-2 铝合金7075力学性能
材料断裂强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/%
7075 552±6 520±4 14.4±0.6
此次焊接中的焊接参数为：搅拌头旋转速度800~1000r/min；焊接速度 150~250mm/min；
搅拌头插入深度4.75mm；倾角3°；压入量0.1~0.2mm；预顶压力1.5~2.5KN。所有7075-T6
1本项目是与中国搅拌摩擦焊中心北京赛福斯特技术有限公司的联合研究资助项目（项目编号：
cfswt-34-041014）。
铝合金FSW试样均是在焊后自然时效30天后，通过X射线对所有焊缝进行无损探伤检测，
结果未发现任何明显焊接缺陷（X射线检测条件下）。
试验过程依照ASTM E647-00规范进行，采用紧凑拉伸（CT）标准试样，从7075-T6
铝合金FSW板材中切割下来。试样共分为4种类型，即预制裂纹位于焊缝中心、位于前进
边热影响区（偏离焊缝中心5mm）、位于后退边热影响区和垂直于焊缝，具体试样性状和裂
纹位置见图2-1。试样经线切割切好后，需用800~1000号的金相砂纸打磨光滑，以消除试
样表面的加工缺陷对疲劳性能的影响。疲劳拉伸实验在型号为PLG-20C的高频疲劳机上进
行，选用的应力比为R=0.06，载荷为恒福正弦波形[3]。
(a) (b)
(c) (d)
图2-1 7075-T6铝合金FSW疲劳裂纹扩展速率试验CT试样图
(a)预制裂纹位于焊缝中心；(b)预制裂纹位于焊接热影响区（前进边或后退边）；
(c)预制裂纹垂直于焊缝；(d)HAZ预制裂纹示意图
为了出7075-T6FSW试样不同位置疲劳性能的差异，在疲劳试验和数据处理后，对试
样来进行金相试验。通过金相试验可以获得焊缝区域的组织形貌特征和缺陷的存在情况，为
对应区域的疲劳裂纹扩展情况提供实验解释。焊接接头区的硬度分布能反映出各区域的强
度，而强度又能反映材料的强度，因此我们可以通过7075-T6FSW接头的硬度分布情况来解
释疲劳强度的差异。为了了解7075-T6FSW接头各区域的硬度分布情况，硬度试验所需试样
的制备方法与金相试验制备方法类似，经抛光后在Keller试剂下腐蚀，以便清晰分辨出焊缝
的不同区域。硬度试验在型号为HV A-10A手动维氏硬度计上进行，分上、中、下三条线测
定横截面不同高度区域的硬度分布。试验时的加载载荷为10Kg，加载时间为15秒。
3．实验结果及分析
3.1 接头显微组织
7075-T6铝合金搅拌摩擦焊后焊缝较平整，几乎没有飞边和焊接变形，对焊缝横截面进行观察，无孔洞、裂纹等缺陷。根据材料的流动性差异而产生的不同区域可以把FSW接头分为以下四个区：焊核区（Weld Nugget）、热机械影响区（Thermal Affected Zone）、热影响区（Heat Affected Zone）和母材区（Base Metal），如图3-1所示。
图3-1 7075-T6铝合金FSW接头切面宏观形貌
a母材区（BM），b焊核区（WN）c、d热机械影响区（TMAZ），e热影响区（HAZ）
图3-2显示了7075-T6铝合金FSW接头的不同区域显微组织，包括接头的焊核区（WN）、热机影响区的前进边（Advancing side）、后退边（Retreating side）和母材区（BM）。如图3-2（a）所示，母材区的显微组织为沿轧制方向排列的板条状组织，均匀分布着黑的强化相。图3-2（b）是焊核区，由一系列细小的等轴再结晶颗粒组成，母材轧制态下的板条状组织被拉长，并发生强烈的弯曲变形，当弯曲程度超过了其晶界所能承受的上限时，原有的板条状组织晶界被破坏而逐渐消失，板条内的等轴再结晶组织按照最小能量原理重新排列，形成焊态下无序、无方向性的等轴再结晶组织排列[4]。图3-2（c）和（d）所示为焊缝接头的热机械影响区，其处于焊核区和热影响区之间。由于焊缝两侧相对于搅拌头的转向不同，而分为前进边（Advancing Side）和后退边（Retreating Side），二者分别对应于旋转的搅拌头在焊接方向的切线速度与搅拌头行进方向相同和相反的侧面。该区的母材条状的特征被高度扭曲，形成一种高度变形的弧形条状会合于焊核，研究表明这一区域没有发生与焊核区类似的再结晶过程。
(a) (b)
(c) (d)
图3-2 7075-T6铝合金FSW接头切面宏观形貌
(a) 母材(BM)，(b) 焊核区(WN)，(c) 前进边(A.S.)，(d )后退边(R.S.)
3.2 接头硬度分布
7075-T6铝合金FSW接头的显微硬度分布如图3-3所示，从图中可以看出焊缝区硬度的分布近似呈“W”形。“W”形接头显微硬度分布是搅拌摩擦焊的又一显著特征，从硬度的变化可以有效地反映出接头各区域的组织性能变化。7075-T6铝合金母材的硬度约为168HV，而在焊核区硬度达到了接近160HV；在焊缝中心两侧6mm处热影响区内出现了软化区，特别是在前进边一侧，温度下降到接近100HV；，从热影响区向两侧看，硬度逐渐增大，直到与母材的硬度值基本一致。
图3-4 7075-T6铝合金FSW接头硬度分布示意图
3.3 疲劳裂纹扩展速率结果
为了便于比较分析，将四条da/dN-△K曲线集中到一起进行比较，另外再和IIW推荐的铝合金疲劳裂纹扩展标准进行对比。表3-1是7075-T6铝合金FSW接头不同区域的疲劳裂纹扩展速率的试验处理结果，图3-5所示为不同区域的da/dN-△K曲线位于同一对数坐标系中。
表4-1 7075-T6铝合金FSW 接头不同区域疲劳裂纹扩展速率试验结果
裂纹位置 m Cm Cu Cl 焊缝中心 3.84 5.46×10-12 9.64×10-12 3.08×10-12
前进边HAZ 2.98 5.67×10-11 1.38×10-10 2.32×10-11 后退边HAZ 3.30 1.35×10-11 2.16×10-11 8.40×10-12 垂直于焊缝 2.44 4.92×10-10 9.86×10-10 2.45×10-10 IIW 标准推荐值 3.0 4.28×10-9
101010101010
图4-1 7075-T6铝合金FSW 接头不同位置的da/dN-△K 曲线对比图
从图4-1我们可以看出，在所有位置的疲劳裂纹扩展试验中，后退边HAZ 疲劳裂纹扩展速率最慢，这其中的原因是多方面的，可以从以下几个方面来分析：（1）由于受到摩擦热的影响，后退边热影响区晶粒长大，强化相发生时效，强度有所下降，对此处的疲劳性能会有所影响。而焊核区是有细小等轴晶组成，Jata 认为细小等轴晶对焊核区的疲劳性能有害，
导致疲劳裂纹扩展速率加快[5]；
（2）由于焊后在试样周围会有残余应力，这也会对接头的疲劳裂纹扩展速率造成影响，Pao 认为铝合金FSW 接头处的压缩残余应力会有助于抵抗疲劳
裂纹的扩展和明显提高△Kth 值[6]；
（3）前进边和后退边在显微组织上的差异也是一个重要原因，在前进边晶粒拉长且晶粒尺寸变化急剧，而后退边则比较缓和，见图3-2。
在图4-1中还可以看出，当应力强度因子幅值△K 较小时，也即裂纹扩展初始阶段，7075-T6铝合金FSW
接头焊缝中心的疲劳裂纹扩展速率是比较慢的，要低于前进边影响区，而当应力强度因子△K 逐渐变大时，焊缝中心的疲劳裂纹扩展速率逐渐增大，并超过前进边热影响区，而和垂直于焊缝区的速率很接近。这是因为在疲劳裂纹扩展初期，焊缝中心的疲劳断裂为沿晶断裂形式，而焊核区是由细小等轴晶组成，这种微观组织对阻止疲劳裂纹初期的扩展是不利的；但是HAZ 的晶粒比较粗大，这对阻止疲劳裂纹初期的扩展是有利的[7]。再有就是残余应力的影响，其中横向应力（垂直于焊缝）会对沿焊缝扩展的裂纹有影响，焊缝中心受压缩残余应力，在疲劳裂纹扩展初期，这会显著降低疲劳裂纹的扩展速率；而在HAZ 受到拉伸残余应力的作用，会加快疲劳裂纹的扩展。这两个因素的综合作用，在低△K 区域，焊缝中心疲劳裂纹扩展速率低于前进边HAZ 。
另外，我们还可以发现，垂直于焊缝的试样疲劳裂纹扩展速率是所有位置中最快的，如图4-1所示。主要原因有一般来说有以下两点：（1）显微组织的影响，即焊核区细小等轴晶
降低了对疲劳裂纹扩展的抵制作用；（2）纵向残余应力的影响，即拉伸残余应力加快了疲劳裂纹的扩展。两个因素综合作用是垂直于焊缝区的疲劳裂纹扩展速率最快。
由于现在还没有针对铝合金FSW专门的疲劳裂纹扩展速率评定标准，我们选择了IIW 标准中针对铝合金熔焊的疲劳裂纹扩展速率评定标准。将四个区域的疲劳裂纹扩展速率与IIW标准中的推荐值进行比较，如图4-1所示。很明显，铝合金7075-T6FSW接头不同区域的疲劳裂纹扩展速率都显著低于IIW标准中的推荐值，这说明IIW标准针对熔焊的推荐值对搅拌摩擦焊来说过于保守，因此需要建立适合与FSW的疲劳评定标准。
4．总结
本文通过对7075-T6铝合金FSW接头的疲劳性能进行了研究，对焊缝不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行比较，得出各区域抵抗疲劳裂纹扩展的优劣。
（1）通过金相实验对7075-T6搅拌摩擦焊接头各个分区进行观察，发现焊核区的晶粒为均匀细小等轴晶，热影响区没有受到搅拌头的机械搅拌作用，其组织形态与母材相似，只是晶粒略有长大。
（2）另外通过显微维氏硬度实验发现：接头区硬度分布呈“W”形分布，焊核区的硬度值仅低于母材，达
到160HV，前进边HAZ硬度值最低，接近100HV，成为整个接头最薄弱的区域。
（3）对7075-T6铝合金FSW接头不同区域疲劳裂纹扩展速率进行对比发现：后退边HAZ 疲劳裂纹扩展速率最慢，而垂直于焊缝区的扩展速率则最快；焊缝中心区的扩展速率在△K 区会低于前进边HAZ，而到裂纹扩展后期，疲劳裂纹扩展速率会高于前进边HAZ；与IIW 标准的推荐值相比，所有区域的疲劳裂纹扩展速率均显著低于推荐值，这说明FSW接头的疲劳性能较好。
参考文献
[1] S R Bhide,P Michaleris,M Posada,etc.Comparison of buckling distortion propensity for SAW,GMAW,and
FSW [J],Welding Journal,2006,v85,n9:189-195.
[2] W M Thomas,E D Nicholas,J C Needham,etc.International Patent Application[P], No.PCT/GB92/02203,GB
Patent Application and No.9125978.9 (1991).
[3] 高镇同等编著，疲劳性能实验设计和数据处理[M]，北京：北京航空航天大学出版社,1999.
[4] 王大勇，冯吉才，狄欧，等.铝合金搅拌摩擦焊接头焊核区等轴再结晶组织的形成机制[J]，焊接学
报,2003,24(4):33-35.
[5] K V Jata,K K Sankaran,J J Ruschau.Metallurgical and Materials Transactions A.Physical Metallurgy and
Materials Science[J],2000,31(9):2181-2192.
[6] P S Pao,S J Gill,C R Feng,etc.Corrosion-fatigue crack growth in friction stir welded Al 7050,Scripta
Materialia,2001,45:605-612.
[7] S J Hong,S S Kim, G L,etc.Fatigue crack propagation behavior of friction stir welded Al-Mg-Si alloy,Scripta
Materialia,2006,55:1007-1010.
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