简介概要

LY12铝合金搅拌摩擦焊接头的残余应力研究

来源期刊：稀有金属2019年第10期

论文作者：苏孺王朋朋刘晓瑞王军王立伟任锦朝

文章页码：1016 - 1022

关键词：LY12铝合金;搅拌摩擦焊;X射线衍射;残余应力;晶格畸变;

摘要：搅拌摩擦焊(FSW)具有焊接工艺简单、焊接缺陷少等优点,可用于高强度铝合金的焊接。掌握搅拌摩擦焊接头的残余应力演化规律,对优化焊接工艺,延长工件使用寿命具有重要的研究价值和实际意义。本文采用LY12铝合金搅拌摩擦焊接头为研究对象,通过X射线衍射(XRD)对焊接接头进行残余应力测定。X射线衍射峰位置、强度和宽度变化的实验结果表明:主轴转速和焊接速度一定时,热影响区宏观残余应力大于焊缝区域,两个区域的纵向残余应力都大于横向残余应力,纵向应力和横向应力均以压应力为主,纵向残余应力峰值在热影响区为179 MPa。焊接速度一定时,随主轴转速升高,晶格畸变减小,焊缝区压应力先降低后增加,在热影响区不断增加,焊缝区<111>取向表现出先增加后减小趋势;主轴转速一定时,随焊接速度增加,晶格畸变加剧,焊缝区宏观残余应力增加,热影响区残余应力减小,焊缝区<111>取向强度减弱,但仍较<200>取向严重。

网络首发时间: 2019-08-05 20:59

稀有金属 2019,43(10),1016-1022 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy19050008

LY12铝合金搅拌摩擦焊接头的残余应力研究

苏孺王朋朋刘晓瑞王军王立伟任锦朝

河北科技大学材料科学与工程学院

石家庄市水利水电工程处

摘要：

搅拌摩擦焊(FSW)具有焊接工艺简单、焊接缺陷少等优点,可用于高强度铝合金的焊接。掌握搅拌摩擦焊接头的残余应力演化规律,对优化焊接工艺,延长工件使用寿命具有重要的研究价值和实际意义。本文采用LY12铝合金搅拌摩擦焊接头为研究对象,通过X射线衍射(XRD)对焊接接头进行残余应力测定。X射线衍射峰位置、强度和宽度变化的实验结果表明:主轴转速和焊接速度一定时,热影响区宏观残余应力大于焊缝区域,两个区域的纵向残余应力都大于横向残余应力,纵向应力和横向应力均以压应力为主,纵向残余应力峰值在热影响区为179 MPa。焊接速度一定时,随主轴转速升高,晶格畸变减小,焊缝区压应力先降低后增加,在热影响区不断增加,焊缝区<111>取向表现出先增加后减小趋势;主轴转速一定时,随焊接速度增加,晶格畸变加剧,焊缝区宏观残余应力增加,热影响区残余应力减小,焊缝区<111>取向强度减弱,但仍较<200>取向严重。

关键词：

LY12铝合金;搅拌摩擦焊;X射线衍射;残余应力;晶格畸变;

中图分类号： TG457.14;TG404

作者简介：苏孺(1985-),男,河北邢台人,博士,研究方向:金属材料形变与损伤,E-mail:sxru2008@163.com;*王军,教授;电话:0311-81668693;E-mail:hebustwangjun@163.com;

收稿日期：2019-05-08

基金：国家自然科学基金青年科学基金项目(51701064);国家自然科学基金面上项目(51875168);河北省自然科学基金青年基金项目(E2018208126);国防基础科研计划项目(2017407C002)资助;

Study of the Residual Stress in LY12 Aluminum Alloy Friction Stir Welding Joint

Su Ru Wang Pengpeng Liu Xiaorui Wang Jun Wang Liwei Ren Jinzhao

School of Material Science and Technology,Hebei University of Science and Technology

Shijiazhuang Water Conservancy and Hydropower Engineering Department

Abstract：

Friction stir welding(FSW) has the advantages of simple welding process and few defects, and can be used for welding of high strength aluminum alloy. It is of great research value and practical significance to master the law of residual stress evolution of friction stir welding joint for optimizing welding process and prolonging service life of workpiece. The LY12 aluminum alloy friction stir welding joints were used as the research object. The residual stress of the welded joint was measured by X-ray diffraction(XRD). The 2 theta angle, intensity and broadening of diffraction peak showed that when the spindle speed and welding speed were constant, the residual stress was greater in the heat affected zone than that in the weld zone, the residual stress parallel to the longitudinal direction was larger than that in transverse direction in both regions, and the residual stress was dominated by compressive stress in both direction, indicating that mechanical stirring was dominant. When the welding speed was constant, with the increase of the spindle speed, the lattice distortion decreased, the compressive residual stress decreased and then increased in the weld zone, and in the heat affected welding speed, the heat input decreased, the lattice distortion intensified, the macroscopic residual stress increased in the weld zone, the residual stress decreased in the heat affected zone. When the spindle speed was 600 r·min^-1, the orientation of <111> decreased, but it was still more serious than <200> orientation.

Keyword：

LY12 aluminum alloy; friction stir welding; X-ray diffraction; residual stress; lattice distortion;

Received： 2019-05-08

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术 ^[1,2] 。搅拌摩擦焊具有焊接工艺简单、焊接缺陷少和经济环保等优点, 特别适合高强铝合金结构件的制造, 如航空飞机骨架零件、翼梁等 ^[3,4] 。搅拌摩擦焊在焊接过程中与其它焊接方法一样也会产生一定的残余应力, 且残余应力会影响焊接接头的疲劳强度、抗应力腐蚀性能和结构精度 ^[5,6,7,8] , 所以表征FSW焊件的残余应力极为重要。张津等 ^[9] 研究表明2024-T351铝合金FSW接头厚度方向显微硬度分布呈W形, 两个硬度极小值和X射线衍射仪(XRD)拉应力分量极大值都位于热影响区。李亭等 ^[10] 测量了3 mm厚2024-T4搅拌摩擦焊对接接头的残余应力, 得出残余应力以纵向应力为主且前进侧方向大于后退侧, 由于受力和热循环叠加作用使焊缝两侧纵向残余应力分布不对称。 Lombard等 ^[11] 在6 mm厚AA5083-H321铝合金FSW中发现, 残余拉应力分布宽度及其峰值和焊接热输入量大小成线性关系, 单位长度热输入量的增加会增加残余拉应力的分布宽度, 但会降低残余拉应力的峰值。

本研究以LY12铝合金为研究对象, 采用X射线衍射技术测定宏观残余应力和晶格畸变规律, 为优化焊接工艺, 改善结构件受力情况和延长工件使用寿命具有重要的研究价值和实际意义。

1 实验

实验选用FSW-LM-BM16-2D龙门式搅拌摩擦焊设备, 对尺寸300 mm×50 mm×2 mm的LY12硬铝合金薄板进行对接。采用三棱锥型带螺纹搅拌头, 焊接过程中搅拌针相对于工件表面垂线倾斜角度为2.5°, 控制轴肩压入量为0.2 mm, 搅拌头为逆时针旋转。焊接工艺参数如表1所示, 其中焊接速度、主轴转速分别为0代表原始试样。焊接后经线切割加工成宽12 mm、长40 mm(其中焊缝10 mm, 两侧各15 mm)焊缝成型良好的焊接接头。并采用电解抛光工艺对其进行处理, 以获得洁净、光亮的表面。电解抛光工艺参数如表2所示。

采用Rigaku Smartlab X射线衍射仪(XRD)对6组不同工艺参数下焊接接头的母材区、热影响区、焊缝中心区域进行测定。当进行常规扫描时发射器与探测器对称布置在试样表面法线两侧, 并同时以θ角进行转动。当进行应力测定时, 采用固定ψ法, 对(311)晶面进行应力测定, ψ为0°, 15°, 25°, 35°, 45°, 热影响区测量位置如图1所示。

表1 搅拌摩擦焊接工艺参数

Table 1 Technological parameters of friction stir welding

Experimental group	Spindle speed/(r·min^-1)	Welding speed/(mm·min^-1)
1	300	160
2	600	160
3	900	160
4	1200	160
5	600	120
6	600	200
7	0	0

表2 电解抛光工艺参数

Table 2 Technological parameters of electropolishing

Parameters	Condition
Anode	Aluminum alloy
Cathode	Stainless steel plate
Test temperature/℃	25
HClO₄/ml	10
CH₃COOH(98%)/ml	200
Power supply	PS-303D
Voltage/V	30

利用Voigt函数对衍射峰进行拟合, 可得到衍射峰半高宽(FWHM)、衍射峰位(2θ)等信息, 计算残余应力(σ)的公式为 ^[12,13] :

式中, K为应力常数, θ为衍射角, θ₀为无应力时的衍射角, ψ为试样表面法线与衍射晶面法线之间的夹角, E为弹性模量, ν为泊松比。 LY12铝合金弹性模量E=72 GPa、泊松比ν=0.3。进行第三类应力分析时, 利用FWHM得到晶格畸变规律。

图1 X射线衍射测定区域

Fig.1 X-ray diffraction measurement region

AS:Advancing side;HAZ:Heat affected zone;TMAZ:Thermomechanically affected zone;NZ:Nugget zone;RS:Retreating side

2 结果与讨论

2.1 衍射峰

采用X射线技术进行常规扫描以及应力测量时得到的衍射峰如图2所示。从图2中可获得FWHM, 2θ, 衍射峰强度(I)信息。

2.2 择优取向分析

铝合金是面心立方金属, {111}和{200}对应的衍射峰分别是第一、第二强度大的衍射峰。本文通过比较两衍射峰的强度来表征焊缝区域金属的晶体取向强弱。

图3(a, b)分别为焊接速度和主轴转速一定时, 焊缝区{111}晶面与{200}晶面衍射峰的强度比。母材表现出较为明显的<200>取向, 焊缝区域<111>取向强度相比于母材严重。在焊速相同时, 随主轴转速增加, <111>取向强度表现出先增加后减小趋势。在主轴转速一定时, 随焊接速度增加, <111>取向强度减小。

在搅拌摩擦焊过程中, 晶粒受热处于热塑性状态, 发生塑性变形。对于面心立方金属, {111}晶面是其滑移面, 随转速增加, 塑性变形量增大, <111>取向逐渐增多, 因此<111>取向强度比母材严重。金属在焊接过程受剪切变形, 随转速增加, 热输入量增加, 同时热塑性变形量增大, 晶粒择优取向, 并发生动态再结晶, 大角度晶界增多 ^[14] , 当主轴转速为900 r·min^-1时, <111>取向强度最大; 当主轴转速增至1200 r·min^-1时, 焊缝区金属受到强烈的机械搅拌作用, 晶粒来不及长大被破碎, 晶粒呈细小等轴状分布 ^[15] , <111>取向下降。随焊速增加, 热循环温度降低, 再结晶形成大角度晶界比例下降, 取向强度逐渐降低 ^[16] 。

图2 X射线衍射得到的半高宽

Fig.2 Semi-high width obtained by X-ray diffraction

图3 在焊接速度为160 mm·min-1时, 随主轴转速的变化, 焊缝区域{111}晶面与{200}晶面衍射峰的强度比和在主轴转速为600 r·min-1, 随焊接速度的变化, 焊缝区域{111}晶面与{200}晶面衍射峰的强度比

Fig.3 Intensity ratio of {111} crystal plane to {200} crystal plane diffraction peak in weld zone varying with the spindle speed when the welding speed being 160 mm·min^-1 (a); The intensity ratio of {111} crystal plane to {200} crystal plane diffraction peak in weld zone varying with the welding speed when the spindle speed being 600 r·min^-1 (b)

2.3 晶格畸变规律分析

为了分析焊接过程中晶粒内部晶格畸变, 采用X射线技术对焊缝区域由晶格畸变导致的衍射峰宽化进行测定。 Williamson-Hall方法 ^[17] 适用于对塑性变形过程的衍射峰宽化进行分析, 该方法可以评估晶粒大小和应变各自对衍射峰宽化的贡献。

Williamson-Hall公式如下所示:

式中, d为晶粒平均尺寸, a为常数, 通常取0.9, ε为衍射峰宽化产生的应变。 K=2sinθ/λ, λ为入射X射线的波长, θ为衍射角。可以得出, ΔK-K满足线性关系, 斜率即为ε。

由图4(a, b)可知在焊接速度为160 mm·min^-1时, 随转速的增加, {111}晶面和{222}晶面呈现相同的变化趋势, 先增加后减小, 达到900 r·min^-1后又增加, 在1200 r·min^-1时出现峰值。当转速一定, 随焊接速度的增加呈现先减小后增加的趋势。衍射峰的宽化主要由晶粒尺寸和晶格畸变两种效应导致 ^[18] , 其中, 尺寸效应与相干散射域有关, 除晶粒尺寸外, 也受到堆垛层错、孪晶等因素影响, 而晶格畸变主要是规则点阵被破坏导致, 以位错为主 ^[19] 。按传统理论, 位错被不均匀的应变场包围, 随位错密度增加, 不均匀应变导致的衍射峰宽化增加。因此可以通过测定衍射峰的宽化来表征晶格畸变规律。

由图5(a)可知, 焊接速度为160 mm·min^-1时,随主轴转速的增加晶格畸变量呈下降趋势。随主轴转速增加, 热输入量增多, 达到再结晶温度后, 晶粒发生动态再结晶, 主轴转速越高, 动态再结晶程度越大, 晶格畸变减小, 在1200 r·min^-1时达最小值。由图5(b)可知, 当主轴转速为600 r·min^-1, 随焊接速度增加, 晶格畸变呈增大趋势。当主轴转速不变, 随焊接速度增加, 焊缝同一位置上摩擦产热相对较少, 材料来不及充分软化使被焊材料对搅拌头的摩擦阻力增加 ^[20] , 从而塑形变形量增加, 晶内缺陷增多, 晶格畸变严重。

图4 焊接速度一定, 随主轴转速的变化{111}晶面和{222}晶面的衍射峰半高宽和主轴转速一定, 随焊接速度的变化{111}晶面和{222}晶面的衍射峰半高宽

Fig.4 Fixed welding speed, the full width at half of {111} and {222} diffraction peaks (a); Fixed spindle speed, the full width at half of {111} and {222} diffraction peaks (b)

图5 焊接速度为160 mm·min-1时, 随主轴转速变化焊缝区晶格畸变的变化和主轴转速为600 r·min-1, 随焊接速度变化焊缝区晶格畸变的变化

Fig.5 When the welding speed being 160 mm·min^-1, the lattice distortion changing with the spindle speed in the weld zone (a); When the spindle speed being 600 r·min^-1, the lattice distortion changing with the welding speed in the weld zone (b)

2.4 应力演化规律分析

由图6(a)可知, 焊核区横向先受压应力, 在转速为600, 900 r·min^-1时转变为较小的拉应力, 1200 r·min^-1时受较大的压应力, 而随主轴转速的增加, 纵向残余应力为压应力, 并且先减小再增加; 由图6(b)可知, 残余压应力均随焊接速度的增加而单调增大。焊核区残余应力与图4中<111>取向含量的演变规律一致。晶粒具有各向异性, 材料受热/变形过程中, 择优取向程度越大, 材料协调变形能力越差, 从而导致残余应力越大 ^[21] 。从图6(a, b)及图7(a, b)可知, 无论是焊缝中心区域还是热影响区位置, 由于纵向不同位置温差较大, 故纵向残余应力值均大于横向残余应力, 纵向残余应力以压应力为主。通过分析不同工艺参数下应力值发现, 在焊接速度相同的情况下, 焊缝区域的纵向应力随搅拌头旋转速度增大呈现先减小后增大趋势, 热影响区纵向残余应力值不断增大。在主轴转速一定的情况下, 热影响区的纵向应力和横向应力均随焊接速度的增大而减小, 焊缝区域随焊接速度的增大而增大。对比发现, 热影响区的应力值高于焊缝区域。

图6 在焊接速度为160 mm·min-1时, 随主轴转速的变化, 焊缝区域纵向(L)与横向(T)残余应力变化和在主轴转速为600 r·min-1时, 随焊接速度的变化, 焊缝区域纵向与横向残余应力的变化

Fig.6 When the welding speed being 160 mm·min^-1, the longitudinal (L) and transverse (T) residual stresses changing with the spindle speed in the weld zone (a); When the spindle speed being 600 r·min^-1, the longitudinal and transverse residual stresses changing with the welding speed in the weld zone (b)

图7 在焊接速度为160 mm·min-1时, 随主轴转速的变化, 热影响区纵向与横向残余应力的变化和在主轴转速为600 r·min-1, 随焊接速度的变化, 热影响区纵向与横向残余应力的变化

Fig.7 Change of longitudinal and transverse residual stresses in HAZ with the change of spindle speed when welding speed being 160 mm·min^-1 (a); Change of longitudinal and transverse residual stresses in HAZ with the change of welding speed when spindle speed being 600 r·min^-1 (b)

本研究针对材料表面进行残余应力测定。在焊接过程中, 焊缝区域金属受到搅拌头机械搅拌作用发生塑性变形, 受到周围材料约束而产生压应力; 搅拌头经过后焊缝区向周围散热温度降低, 从而发生收缩, 受到周围材料的约束, 表现为拉应力 ^[10] 。焊缝区域金属所受的应力场正是机械搅拌产生的压应力与温度场造成的拉应力的综合作用。本实验中, 通过数据分析发现, 纵向应力与横向应力均以压应力为主, 表明机械搅拌作用占主导地位。随主轴转速增加, 热输入量增多, 焊缝区域金属与周围材料温差增加, 因此冷却收缩造成的拉应力增加, 综合结果即为压应力下降, 转速为1200 r·min^-1时, 搅拌头机械作用力增强, 焊核区受到周围材料的压应力增大。在焊接过程中, 焊核区由于剧烈搅拌摩擦, 发生动态再结晶, 因此相比母材(纵向应力为67 MPa, 横向应力为-39 MPa), 材料表面拉应力降低, 但由于受到搅拌头的挤压, 从而表现出压应力。

对于热影响区, 所测位置位于距焊核边缘约 2 mm位置, 热影响区材料除受到周围温度场的作用外, 还会受到轴肩顶锻力的作用, 随主轴转速增加, 轴肩作用于材料表面的压力增大, 压应力增加。主轴转速一定时, 随焊接速度增加, 轴肩作用于热影响区的压力减小, 因此残余应力减小。