铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳断裂行为分析_曹丽杰
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Key words： aluminum alloy； friction stir welding； joints； stress fatigue； strain fatigue；
fatigue crack growth
1991 年 TWI 发明的搅拌摩擦焊接 （ friction stir welding，简称 FSW） 技术主要用于高强铝合金的焊
FSW 为固相连接，焊缝中沉淀相大小和聚集程 度影响 FCGRS 和 ΔKth。沉淀相的聚集、滑移逆转和 裂纹偏向提高 ΔKth。对于未时效状态，沉淀相为聚 集态，内部含有微小的 GP 区，裂纹扩展阻力大，ΔKth 也高。疲劳循 环 时 由 于 位 错 对 聚 集 相 的 剪 切，导 致 反向滑移程度增高，循环塑性好。过时效状态下，反 向滑移程度低，大块的非聚集的沉淀相钉扎住位错， 阻止位错反转，循环塑 性 低。因 此，在 过 时 效 状 态 下，或者存在粗大沉淀相时，FCGRS 会增大。此外， 未时效状态下疲劳裂纹的闭合程度大于过时效状态 的 ，其 FCGRS 低于后者的。
低，虽然可以得到良好的焊接接头，但是焊缝底部金
属塑化程度不够，容易出现“吻接”缺陷。
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2010，Vol． 38，№11
3 铝合金 FSW 接头的疲劳裂纹扩展 速 率 FCGRS （ Fatigue crack growth rates） 和门槛值 ΔKth
为获得缺陷状态下接头的疲劳行为，应用断裂 力学把疲劳 设 计 建 立 在 本 身 存 在 缺 陷 的 基 础 上，按 照裂纹在循环载荷下的扩展规律，估算结构寿命，是 保证结构安全工作的重要途径，同时，也是对传统疲 劳试验分析方法的一个重要补充和发展［9］。FCGRS 是决 定 构 件 疲 劳 行 为 的 一 个 重 要 特 征 参 量，影 响 FSW 接头 FCGRS 的因素有微结构和残余应力、表面 处理方法等。 3． 1 微结构和残余应力对 FCGRS 和 ΔKth的影响
Analysis on fatigue fracture behavior of friction stir welded aluminum alloy joints
CAO Li-jie1 ，LIU Ai-guo2 ，LI Pei-chao1
（ 1． 3． College of Mechanical Engineering，Shanghai University of Engineering and Science，Shanghai 20160，China； 2． State Key Lab of Advanced Welding Production Technology，HIT，Ha’erbin 150001，China）
( ) Δσ
线2
t
=
K'
Δεp 2
n'
中的循环应变硬化指数 n'和循环
强化系数 K'却高于母材的，而 HAZ（ 热力影响区） 则
相反，其循环屈服应力最高。利用能谱仪分析 TMAZ
中黑色大块不均匀物质的元素，发现了 K、Si、Cl 和 O
等成分，晶粒粗化变形导致沉淀相不均匀，会降低疲
劳强度，因此，预测疲劳破坏首先发生在 TMAZ。
焊后表面处理对fcgrsth的影响激光冲击处理是利用强脉冲激光产生的压力冲激波在金属材料表层产生应变硬化改变冲击rates和门槛值th为获得缺陷状态下接头的疲劳行为应用断裂力学把疲劳设计建立在本身存在缺陷的基础照裂纹在循环载荷下的扩展规律估算结构寿命是保证结构安全工作的重要途径同时也是对传统疲劳试验分析方法的一个重要补充和发展fsw接头fcgrs的因素有微结构和残余应力表面处理方法等
一致。 Ali［6 － 7］等人为了分析接头不同区域的循环变形
行为，将接头按照不同微区进行剪切，进行纯弯曲应
变疲劳循环试验，应变幅分别为 0． 1% 和 2． 5% 。研
究结果发现，尽管各区域经历不同的热处理条件，但
各区域的弹性模量均相同； NUGGET（ 焊核） 和 TMAZ
循环屈服应力明显低于母材的，而循环应力-应变曲
如何确保焊接结构在交变或波动应变条件下的安全 性，提高铝合金 FSW 接头的抗疲劳断裂性能，正成 为重点研究内容。科研人员利用传统疲劳问题分析 方法，从应力-寿命曲线、应变-寿命曲线、疲劳裂纹扩 展速率、门槛值 ΔKth 等方面，分析了 FSW 工艺参数 （ 搅拌头形状和尺寸、旋转速度、焊接速度等） 、接头 显微结构、残 余 应 力、表 面 处 理 方 法、焊 接 缺 陷 等 对 疲劳强度和 寿 命 的 影 响 规 律，本 文 总 结 了 这 些 研 究 结果，为推广应用 FSW 技术，建立合理准确的铝合 金 FSW 疲劳设计规范提供重要参考数据。
Abstract： Improving and increasing fatigue resistance of friction stir welded aluminum al-
loy joints is an important measure to secure the quality of welded structure． Recent researches on both domestic and foreign progresses of the fatigue fracture behavior of friction stir welded joints were reviewed in this paper． The stress fatigue analysis and strain fatigue analysis in the friction stir welded aluminum alloy joints，influences of process parameters on fatigue strength，and influences of microstructures，residual stress，surface modification and weld defects on fatigue crack growth rate were all included in these researches． Formation and growth law of the fatigue crack in corrosive environment and the threshold ΔKth were summarized． This is valuable to establish fatigue design standards for friction stir welded aluminum alloy joints and improve fatigue strength of aluminium alloy welded structures．
极限之间关系确定 σ'f、ε'f、和 b、c； （ 3） 根据试验结 果，修改 ε'f = e = 0． 36 和 c = f = － 1． 666。前两种方 法的试验结 果 和 预 测 结 果 在 短 寿 命 阶 段 不 一 致，在
弹性区域的长寿命阶段却吻合很好。第三种方法无
论在弹 性 区 域 和 塑 性 区 域 模 拟 和 试 验 结 果 基 本
接［1］。随着这一技术在航空航天等铝合金制造领域 的成功应用，其接头使用寿命成为关注的热点问题。
收稿日期： 2010 － 07 － 22 基金项目： 中国科学院知识创新工程重大项目（ KJCX1 － YW － 21） 第一作者简介： 曹丽杰（ 1968 － ） ，女，黑龙江佳木斯人，讲师。
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文献［8］作者分析了焊接速度对 7075-T451 铝
合金 FSW 接头低周疲劳性能的影响，疲劳裂纹萌生
寿命与焊接速度有关，在相同的应变下，低焊速的疲
劳寿命大于 高 焊 速 的 疲 劳 寿 命。 低 焊 速 时，焊 接 热
输入量充足，在 整 个 厚 度 方 向 上 对 接 面 处 的 母 材 能
充分塑化，当焊接速度升高时，随着焊接线能量的降
2 铝合金 FSW 接头的应变疲劳和 ε-N （ 应变-寿命） 曲线
应变疲劳又叫低周疲劳，应变疲劳试验时控制
总应变范围或者塑性应变范围。应变疲劳寿命公式
是由 Manson-Coffin 给出：
Δεt 2
=
σf E
（
2Nf）
b
+
εf（
2N）
c
式中：
σ' f —疲劳强度系数； b—疲劳强度指数；
ε' f —疲劳塑性系数； c—疲劳塑性指数。
公式右边第 一 项 为 弹 性 应 变 幅，第 二 项 为 塑 性 应变幅［5］。P． M． G． P． Moreira［1］等人在 6063-T6 铝
合金 FSW 接头的 TMAZ 开缺口进行应变疲劳试验，
同时还利用有限元软件 ABAQUS 进行非线性应变分
析，进行寿命预测。在母材的整体应变幅-寿命 （ ε-
K． V． JATA［10］ 对 FSW 7050-T7451 铝 合 金 在 FSW + T6 下，在 焊 核 和 在 距 焊 缝 中 心 7 mm 处 的 HAZ 分别开缺口，分析了 FCGRS，从 da / dN-ΔK 关系 图可知，焊核的曲线偏左，母材的居中，HAZ 的偏右， 在循环比 R = 0． 33 时，它们的 ΔKth 分别为 1． 04 MPa
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2010，Vol． 38，№11
铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳断裂行为分析
曹丽杰1 ，刘爱国2 ，李培超1
（ 1． 上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620； 2． 哈尔滨工业大学 现代焊接生产 技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘要： 提高和改善铝合金搅拌摩擦焊接头抗疲劳断裂性能是保证其焊接结构安全可靠的重要措施。阐述了国内外 对铝合金搅拌摩擦焊接头的疲劳断裂行为的研究进展，包括铝合金搅拌摩擦焊接头的应力疲劳分析和应变疲劳分 析； 微结构、残余应力、表面处理对疲劳裂纹扩展速率的影响； 焊接缺陷对疲劳断裂行为的影响； 总结了在腐蚀介质 中的疲劳裂纹形成特点和扩展规律及门槛值 ΔKth 。为建立铝合金搅拌摩擦焊接接头的疲劳设计规范、提高铝合金 焊接结构的疲劳强度具有重要的理论意义和实践参考价值。 关键词： 铝合金； 搅拌摩擦焊； 接头； 应力疲劳； 应变疲劳； 疲劳裂纹扩展 中图分类号： TG439． 8； TG146． 21 文献标识码： A 文章编号： 1007 － 7235（ 2010） 11 － 0045 － 06
1 铝合金 FSW 接头的应力疲劳和 S-N （ 应力-寿命） 曲线
应力疲劳又称高周疲劳，在应力循环水平较低 时，弹 性 应 变 起 主 导 作 用，疲 劳 损 伤 由 循 环 应 力 控 制。P． M． G． P． Moreira［2］等人研究了 6063-T6 铝合 金 FSW 接头缺口焊件的疲劳行为，在不同应力水平 下，对比母材和焊件的 σmax-N 曲线，发现焊件的疲劳 寿命略高于母材。利用有限元软件进行非线性应力 分析其原因，在高应力下，母材缺口的应力集中程度 比在 TMAZ（ 热力影响区） 有缺口的焊件的大，TMAZ 缺口周围由 于 搅 拌 摩 擦 作 用 出 现 增 塑 现 象，这 一 结 果对于具有缺口的 FSW 结构的疲劳设计提供了借 鉴。L． Fratini［3］分析了 FSW 工艺参数对 2024-T4 铝 合金疲劳行为的影响，在以应力幅为纵坐标的 σa-N 曲线中看到，其他工艺参数不变时，工具进给速度对 疲劳强度、疲劳极限的影响较小，焊件的疲劳强度基 本达到母材的 80% 。当工具的进给速度为 0． 1 mm / r 时，焊接热输入量比较大，曲线最接近母材的； 当工 具的进给速度为 0． 3 mm / r 时，焊接热输入量少，其 疲劳极限最小。工具的几何形状对接头的疲劳行为 有极其重要 的 影 响，轴 肩 的 几 何 形 貌 为 螺 旋 形 凹 槽 时，得到的焊 缝 摩 擦 面 粗 糙，焊 缝 高 于 母 材，粗 糙 表 面可能成为疲劳裂纹源，σa-N 曲线中拟合直线的斜 率最大，疲劳极限最小，在轴肩的几何形貌为凹型和 平型 时，焊 缝 表 面 细 致 光 滑，疲 劳 极 限 比 母 材 的 低 15% ～ 20%［4］。
N） 曲线中，模拟结果和试验结果很好吻合，整体应变
以弹性应变 为 主，疲 劳 寿 命 预 测 受 控 于 上 述 公 式 中
的第一项，即弹性应变分量。而对于焊件，由于 FSW
过程产生不均匀性，因此，公式中的系数则根据现有
的数据进行修பைடு நூலகம்，修正方法有三： （ 1） 利用静载拉伸
试验结果确定 σ'f、ε'f、和 b、c； （ 2） 利用 Japanese Society of Material Science （ JSMS） 给出的硬度和强度
fatigue crack growth
1991 年 TWI 发明的搅拌摩擦焊接 （ friction stir welding，简称 FSW） 技术主要用于高强铝合金的焊
FSW 为固相连接，焊缝中沉淀相大小和聚集程 度影响 FCGRS 和 ΔKth。沉淀相的聚集、滑移逆转和 裂纹偏向提高 ΔKth。对于未时效状态，沉淀相为聚 集态，内部含有微小的 GP 区，裂纹扩展阻力大，ΔKth 也高。疲劳循 环 时 由 于 位 错 对 聚 集 相 的 剪 切，导 致 反向滑移程度增高，循环塑性好。过时效状态下，反 向滑移程度低，大块的非聚集的沉淀相钉扎住位错， 阻止位错反转，循环塑 性 低。因 此，在 过 时 效 状 态 下，或者存在粗大沉淀相时，FCGRS 会增大。此外， 未时效状态下疲劳裂纹的闭合程度大于过时效状态 的 ，其 FCGRS 低于后者的。
低，虽然可以得到良好的焊接接头，但是焊缝底部金
属塑化程度不够，容易出现“吻接”缺陷。
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3 铝合金 FSW 接头的疲劳裂纹扩展 速 率 FCGRS （ Fatigue crack growth rates） 和门槛值 ΔKth
为获得缺陷状态下接头的疲劳行为，应用断裂 力学把疲劳 设 计 建 立 在 本 身 存 在 缺 陷 的 基 础 上，按 照裂纹在循环载荷下的扩展规律，估算结构寿命，是 保证结构安全工作的重要途径，同时，也是对传统疲 劳试验分析方法的一个重要补充和发展［9］。FCGRS 是决 定 构 件 疲 劳 行 为 的 一 个 重 要 特 征 参 量，影 响 FSW 接头 FCGRS 的因素有微结构和残余应力、表面 处理方法等。 3． 1 微结构和残余应力对 FCGRS 和 ΔKth的影响
Analysis on fatigue fracture behavior of friction stir welded aluminum alloy joints
CAO Li-jie1 ，LIU Ai-guo2 ，LI Pei-chao1
（ 1． 3． College of Mechanical Engineering，Shanghai University of Engineering and Science，Shanghai 20160，China； 2． State Key Lab of Advanced Welding Production Technology，HIT，Ha’erbin 150001，China）
( ) Δσ
线2
t
=
K'
Δεp 2
n'
中的循环应变硬化指数 n'和循环
强化系数 K'却高于母材的，而 HAZ（ 热力影响区） 则
相反，其循环屈服应力最高。利用能谱仪分析 TMAZ
中黑色大块不均匀物质的元素，发现了 K、Si、Cl 和 O
等成分，晶粒粗化变形导致沉淀相不均匀，会降低疲
劳强度，因此，预测疲劳破坏首先发生在 TMAZ。
焊后表面处理对fcgrsth的影响激光冲击处理是利用强脉冲激光产生的压力冲激波在金属材料表层产生应变硬化改变冲击rates和门槛值th为获得缺陷状态下接头的疲劳行为应用断裂力学把疲劳设计建立在本身存在缺陷的基础照裂纹在循环载荷下的扩展规律估算结构寿命是保证结构安全工作的重要途径同时也是对传统疲劳试验分析方法的一个重要补充和发展fsw接头fcgrs的因素有微结构和残余应力表面处理方法等
一致。 Ali［6 － 7］等人为了分析接头不同区域的循环变形
行为，将接头按照不同微区进行剪切，进行纯弯曲应
变疲劳循环试验，应变幅分别为 0． 1% 和 2． 5% 。研
究结果发现，尽管各区域经历不同的热处理条件，但
各区域的弹性模量均相同； NUGGET（ 焊核） 和 TMAZ
循环屈服应力明显低于母材的，而循环应力-应变曲
如何确保焊接结构在交变或波动应变条件下的安全 性，提高铝合金 FSW 接头的抗疲劳断裂性能，正成 为重点研究内容。科研人员利用传统疲劳问题分析 方法，从应力-寿命曲线、应变-寿命曲线、疲劳裂纹扩 展速率、门槛值 ΔKth 等方面，分析了 FSW 工艺参数 （ 搅拌头形状和尺寸、旋转速度、焊接速度等） 、接头 显微结构、残 余 应 力、表 面 处 理 方 法、焊 接 缺 陷 等 对 疲劳强度和 寿 命 的 影 响 规 律，本 文 总 结 了 这 些 研 究 结果，为推广应用 FSW 技术，建立合理准确的铝合 金 FSW 疲劳设计规范提供重要参考数据。
Abstract： Improving and increasing fatigue resistance of friction stir welded aluminum al-
loy joints is an important measure to secure the quality of welded structure． Recent researches on both domestic and foreign progresses of the fatigue fracture behavior of friction stir welded joints were reviewed in this paper． The stress fatigue analysis and strain fatigue analysis in the friction stir welded aluminum alloy joints，influences of process parameters on fatigue strength，and influences of microstructures，residual stress，surface modification and weld defects on fatigue crack growth rate were all included in these researches． Formation and growth law of the fatigue crack in corrosive environment and the threshold ΔKth were summarized． This is valuable to establish fatigue design standards for friction stir welded aluminum alloy joints and improve fatigue strength of aluminium alloy welded structures．
极限之间关系确定 σ'f、ε'f、和 b、c； （ 3） 根据试验结 果，修改 ε'f = e = 0． 36 和 c = f = － 1． 666。前两种方 法的试验结 果 和 预 测 结 果 在 短 寿 命 阶 段 不 一 致，在
弹性区域的长寿命阶段却吻合很好。第三种方法无
论在弹 性 区 域 和 塑 性 区 域 模 拟 和 试 验 结 果 基 本
接［1］。随着这一技术在航空航天等铝合金制造领域 的成功应用，其接头使用寿命成为关注的热点问题。
收稿日期： 2010 － 07 － 22 基金项目： 中国科学院知识创新工程重大项目（ KJCX1 － YW － 21） 第一作者简介： 曹丽杰（ 1968 － ） ，女，黑龙江佳木斯人，讲师。
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文献［8］作者分析了焊接速度对 7075-T451 铝
合金 FSW 接头低周疲劳性能的影响，疲劳裂纹萌生
寿命与焊接速度有关，在相同的应变下，低焊速的疲
劳寿命大于 高 焊 速 的 疲 劳 寿 命。 低 焊 速 时，焊 接 热
输入量充足，在 整 个 厚 度 方 向 上 对 接 面 处 的 母 材 能
充分塑化，当焊接速度升高时，随着焊接线能量的降
2 铝合金 FSW 接头的应变疲劳和 ε-N （ 应变-寿命） 曲线
应变疲劳又叫低周疲劳，应变疲劳试验时控制
总应变范围或者塑性应变范围。应变疲劳寿命公式
是由 Manson-Coffin 给出：
Δεt 2
=
σf E
（
2Nf）
b
+
εf（
2N）
c
式中：
σ' f —疲劳强度系数； b—疲劳强度指数；
ε' f —疲劳塑性系数； c—疲劳塑性指数。
公式右边第 一 项 为 弹 性 应 变 幅，第 二 项 为 塑 性 应变幅［5］。P． M． G． P． Moreira［1］等人在 6063-T6 铝
合金 FSW 接头的 TMAZ 开缺口进行应变疲劳试验，
同时还利用有限元软件 ABAQUS 进行非线性应变分
析，进行寿命预测。在母材的整体应变幅-寿命 （ ε-
K． V． JATA［10］ 对 FSW 7050-T7451 铝 合 金 在 FSW + T6 下，在 焊 核 和 在 距 焊 缝 中 心 7 mm 处 的 HAZ 分别开缺口，分析了 FCGRS，从 da / dN-ΔK 关系 图可知，焊核的曲线偏左，母材的居中，HAZ 的偏右， 在循环比 R = 0． 33 时，它们的 ΔKth 分别为 1． 04 MPa
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2010，Vol． 38，№11
铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳断裂行为分析
曹丽杰1 ，刘爱国2 ，李培超1
（ 1． 上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620； 2． 哈尔滨工业大学 现代焊接生产 技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘要： 提高和改善铝合金搅拌摩擦焊接头抗疲劳断裂性能是保证其焊接结构安全可靠的重要措施。阐述了国内外 对铝合金搅拌摩擦焊接头的疲劳断裂行为的研究进展，包括铝合金搅拌摩擦焊接头的应力疲劳分析和应变疲劳分 析； 微结构、残余应力、表面处理对疲劳裂纹扩展速率的影响； 焊接缺陷对疲劳断裂行为的影响； 总结了在腐蚀介质 中的疲劳裂纹形成特点和扩展规律及门槛值 ΔKth 。为建立铝合金搅拌摩擦焊接接头的疲劳设计规范、提高铝合金 焊接结构的疲劳强度具有重要的理论意义和实践参考价值。 关键词： 铝合金； 搅拌摩擦焊； 接头； 应力疲劳； 应变疲劳； 疲劳裂纹扩展 中图分类号： TG439． 8； TG146． 21 文献标识码： A 文章编号： 1007 － 7235（ 2010） 11 － 0045 － 06
1 铝合金 FSW 接头的应力疲劳和 S-N （ 应力-寿命） 曲线
应力疲劳又称高周疲劳，在应力循环水平较低 时，弹 性 应 变 起 主 导 作 用，疲 劳 损 伤 由 循 环 应 力 控 制。P． M． G． P． Moreira［2］等人研究了 6063-T6 铝合 金 FSW 接头缺口焊件的疲劳行为，在不同应力水平 下，对比母材和焊件的 σmax-N 曲线，发现焊件的疲劳 寿命略高于母材。利用有限元软件进行非线性应力 分析其原因，在高应力下，母材缺口的应力集中程度 比在 TMAZ（ 热力影响区） 有缺口的焊件的大，TMAZ 缺口周围由 于 搅 拌 摩 擦 作 用 出 现 增 塑 现 象，这 一 结 果对于具有缺口的 FSW 结构的疲劳设计提供了借 鉴。L． Fratini［3］分析了 FSW 工艺参数对 2024-T4 铝 合金疲劳行为的影响，在以应力幅为纵坐标的 σa-N 曲线中看到，其他工艺参数不变时，工具进给速度对 疲劳强度、疲劳极限的影响较小，焊件的疲劳强度基 本达到母材的 80% 。当工具的进给速度为 0． 1 mm / r 时，焊接热输入量比较大，曲线最接近母材的； 当工 具的进给速度为 0． 3 mm / r 时，焊接热输入量少，其 疲劳极限最小。工具的几何形状对接头的疲劳行为 有极其重要 的 影 响，轴 肩 的 几 何 形 貌 为 螺 旋 形 凹 槽 时，得到的焊 缝 摩 擦 面 粗 糙，焊 缝 高 于 母 材，粗 糙 表 面可能成为疲劳裂纹源，σa-N 曲线中拟合直线的斜 率最大，疲劳极限最小，在轴肩的几何形貌为凹型和 平型 时，焊 缝 表 面 细 致 光 滑，疲 劳 极 限 比 母 材 的 低 15% ～ 20%［4］。
N） 曲线中，模拟结果和试验结果很好吻合，整体应变
以弹性应变 为 主，疲 劳 寿 命 预 测 受 控 于 上 述 公 式 中
的第一项，即弹性应变分量。而对于焊件，由于 FSW
过程产生不均匀性，因此，公式中的系数则根据现有
的数据进行修பைடு நூலகம்，修正方法有三： （ 1） 利用静载拉伸
试验结果确定 σ'f、ε'f、和 b、c； （ 2） 利用 Japanese Society of Material Science （ JSMS） 给出的硬度和强度