AZ31鎂合金攪拌摩擦焊焊接接頭高周疲勞斷裂行為研究.pdf

1、鎂合金材料由于其本身優(yōu)勢(shì)和節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、高鐵以及航空航天等工業(yè)制造業(yè)中，這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)往往需要焊接技術(shù)的支持。常規(guī)熔化焊方法焊接鎂合金后，接頭的力學(xué)性能和冶金性能較差；攪拌摩擦焊技術(shù)用于鎂合金的焊接，其接頭力學(xué)性能有了極大的改善，焊接過程也更加環(huán)保。然而，這些焊接結(jié)構(gòu)在使用中往往承受疲勞載荷作用，很容易發(fā)生疲勞斷裂事故。而疲勞失效是金屬結(jié)構(gòu)件中常見的一種嚴(yán)重破壞形式，所以改善金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞性能對(duì)其使用性和安全性的提

2、高有著重要的意義。紅外熱像法以其便捷、無損等優(yōu)點(diǎn)可以用來表征試驗(yàn)過程中試樣表面溫度的變化特征，從而分析疲勞過程中產(chǎn)熱溫度與變形的關(guān)系，因而采用紅外熱像法對(duì)鎂合金FSW接頭疲勞斷裂行為進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。
　　本試驗(yàn)對(duì)AZ31鎂合金采用優(yōu)化的FSW參數(shù)進(jìn)行對(duì)接焊接，結(jié)合金相組織、顯微硬度、EBSD、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、掃描電子顯微鏡以及紅外熱像儀研究了鎂合金攪拌摩擦焊焊接接頭高周疲勞裂紋斷裂行為以及紅外熱像溫度特征，最終提出了改

3、善AZ31鎂合金FSW接頭疲勞壽命的有效方法。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明， AZ31鎂合金FSW焊接接頭疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到107時(shí)，疲勞極限為55.11 MPa，焊接接頭的疲勞裂紋均沿著焊接接頭前進(jìn)側(cè)(AS)發(fā)生疲勞斷裂。采用紅外熱像儀獲得FSW焊接過程溫度場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)AS摩擦產(chǎn)熱高于RS。通過金相組織分析可以得出，熱影響區(qū)(HAZ)存在大量粗大晶粒和少部分孿晶，熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)相比于HAZ晶粒尺寸較小，并且存在部分等軸晶，表明該區(qū)域

4、在FSW過程中存在不完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，焊核區(qū)(NZ)所有晶粒都是細(xì)小的等軸晶粒，表明焊接過程N(yùn)Z區(qū)域存在完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。攪拌摩擦焊焊接接頭顯微硬度結(jié)果顯示，AS的HAZ區(qū)域顯微硬度最低，進(jìn)一步證明了這一區(qū)域力學(xué)性能較差，為焊接接頭軟化區(qū)。在循環(huán)變形過程中，攪拌摩擦焊焊接接頭AS應(yīng)變大于后退側(cè)(RS)應(yīng)變。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)疲勞斷口微觀形貌進(jìn)行了研究，獲得結(jié)論為：AZ31鎂合金FSW接頭疲勞斷裂方式為脆性解理斷裂，同

5、時(shí)斷口中可以觀察到撕裂棱和二次裂紋的存在。
　　紅外熱像儀檢測(cè)結(jié)果表明，在循環(huán)載荷作用下AZ31鎂合金試樣表面存在五個(gè)區(qū)段的溫度演化：溫度極速上升、溫度下降、溫度水平、溫度二次升高和溫度陡降。AS側(cè)的HAZ溫度高于FSW接頭其他區(qū)域，進(jìn)而驗(yàn)證了此區(qū)域在相同循環(huán)載荷下應(yīng)變最大。
　　雙面FSW接頭疲勞極限比單面FSW接頭提高了67％。雙面焊焊縫兩側(cè)熱輸入相等，微觀組織對(duì)稱分布，避免了由單面焊在AS部位粗大晶粒弱化焊接接頭的現(xiàn)象

6、發(fā)生。相同循環(huán)載荷下，單面FSW接頭的AS應(yīng)變范圍大約為2.5%-5.25%，RS應(yīng)變范圍大約為1.5%-3.75%。雙面FSW接頭某一側(cè)應(yīng)變范圍大約為1.25%-3.75%，這與單面FSW接頭的RS應(yīng)變很接近，也說明了雙面FSW有較高的抗疲勞強(qiáng)度。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)疲勞斷口微觀形貌進(jìn)行了研究，獲得結(jié)論為：AZ31鎂合金雙面FSW接頭疲勞裂紋萌生于 AS的表面或者近表面，微觀形貌為“人字型”花樣，最終在另一側(cè)焊縫的RS區(qū)域瞬