TIG与FSW焊接工艺下2...铝合金疲劳裂纹扩展性能研究_杨子涵.pdf

第 15 卷 第 4 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 67 收稿日期：20221029 Received：2022-10-29 基金项目：国家自然科学基金（51974198）Fund：National Natural Science Foundation of China(51974198)作者简介：杨子涵（1996），女，硕士。Biography：YANG Zi-han(1996-),Female,Master.通讯作者：韩永典（1983），男，博士，教授，主要研究方向为焊接结构疲劳、腐蚀及断裂。Corresponding author：HAN Yong-dian(1983-),Male,Doctor,Professor,Research focus:fatigue,corrosion and fracture of welded structures.引文格式：杨子涵,刘德博,陈强,等.TIG与 FSW焊接工艺下 2219铝合金疲劳裂纹扩展性能研究J.精密成形工程,2023,15(4):67-73.YANG Zi-han,LIU De-bo,CHEN Qiang,et al.Fatigue Crack Growth Property of 2219 Aluminum Alloy under TIG and FSW Welding ProcessJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(4):67-73.TIG 与 FSW 焊接工艺下 2219 铝合金疲劳 裂纹扩展性能研究 杨子涵1，刘德博1，陈强2a，韩永典2a,2b（1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.天津大学 a.材料科学与工程学院 b.天津市现代连接技术重点实验室，天津 300350）摘要：目的目的 研究钨极惰性气体保护焊（TIG）和搅拌摩擦焊（FSW）对 2219 铝合金焊接接头疲劳性能的影响，并探究这 2 种不同焊接技术条件下焊接接头疲劳裂纹的产生与裂纹扩展原理，了解 2 种焊接接头的抗裂纹扩展能力，为工程实践应用提供数据参考。方法方法 采用疲劳裂纹扩展试验方法，测试上述 2 种焊接工艺条件下焊缝金属和热影响区组织的疲劳裂纹扩展速率 da/dN 和阈值，使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察并分析金相组织和疲劳断口形貌特征。结果结果 疲劳裂纹倾向于沿裂纹处萌生，裂纹的存在成为主要的裂纹扩展源头，有利于加速裂纹向前延伸。热影响区由于组织结构不均匀，不同位置的晶粒尺寸存在明显差异，疲劳裂纹扩展路径倾向于沿靠近焊缝一侧向靠近母材区域扩展。TIG 焊接工艺下焊缝金属和热影响区的裂纹扩展速率明显低于 FSW 焊接工艺下的焊缝金属和热影响区，与此同时，TIG 焊接接头表现出优良的抗疲劳裂纹扩展性能。结论结论 通过此研究，建议 2219 铝合金焊接接头采用 TIG 焊接工艺，抗疲劳裂纹扩展效果更佳。关键词：2219 铝合金；阈值；疲劳裂纹扩展速率；焊接接头；断口形貌特征 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.008 中图分类号：TG405 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)04-0067-07 Fatigue Crack Growth Property of 2219 Aluminum Alloy under TIG and FSW Welding Process YANG Zi-han1,LIU De-bo1,CHEN Qiang2a,HAN Yong-dian2a,2b(1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering,Beijing 100076,China;2.a.School of Materials Science and Engineering,b.Tianjin Key Laboratory of Modern Connection Technology,Tianjin University,Tianjin 300350,China)ABSTRACT:The work aims to study the effects of tungsten inert gas welding(TIG)and friction stir welding(FSW)on the fa-tigue properties of 2219 aluminum alloy welded joints,explore the principle of fatigue crack generation and crack growth of 68 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 welded joints under these two different welding conditions,and understand the anti-crack growth ability of the two welded joints,so as to provide data reference for engineering practice.The fatigue crack growth rate da/dN and threshold value of the weld metal and heat affected zone under the two welding methods were tested by fatigue crack growth test.The metallographic struc-ture and fatigue fracture morphology were observed and analyzed by optical microscope and scanning electron microscope.Fa-tigue cracks tended to initiate along the crack.The existence of cracks became the main source of crack growth,which was conducive to accelerating the forward extension of cracks.Due to the uneven structure of the heat affected zone,the grain size at different positions was obviously different and the fatigue crack growth path tended to expand from the side near the weld to the area near the base metal.The crack growth rate of weld metal and heat affected zone in TIG welding process was significantly lower than that in FSW welding process.Meanwhile,the TIG welded joints showed excellent anti-fatigue crack growth property.Through this study,it is recommended that 2219 aluminum alloy welded joints should be treated by TIG welding process,which will obtain better anti-fatigue crack growth effect.KEY WORDS:2219 aluminum alloy;threshold value;fatigue crack growth rate;welded joint;fracture morphology characteristics 2219 铝合金属于铝铜系强化铝合金，因其具有相对密度较低、强度比高及在低温环境下性能较好的特点，广泛应用于航空航天领域1-5。2219 铝合金加工制成的零部件广泛用于飞机侧翼等连接部位，经常在循环和加载的工况条件下服役，对铝合金材料结构的抗疲劳性能有较高要求。疲劳断裂变形是现代机械零件主要的失效类型之一，为保障机械零件在循环载荷下的安全运行，有必要对材料的疲劳和裂纹扩展机理进行深入分析6-7。1960 年，Paris 等8首次提出了应力强度因子在疲劳裂纹扩展过程中的关键性作用，并逐步尝试建立疲劳裂纹扩展速率的计算模型与应力强度因子的振幅模型之间的关系，从而重新优化了疲劳断裂理论。Xu 等9根据非线性蠕变疲劳交互损伤的本构模型，对 P92 钢在蠕变疲劳交互作用条件下的裂纹扩展及损伤演化行为进行了系统性表征。结果显示，随着裂纹扩展时间的不断延长，裂纹扩展速率增大，蠕变损伤行为在裂纹扩展过程中扮演了重要作用。Narasayya 等10的进一步研究结果表明，T652和 T6 2 种类型的 2219 铝合金断裂韧性相似，且 2 种合金的断裂韧性随着不同方向屈服极限的增大而增强。Sharma 等11研究了 2219 铝合金在不同时效环境下的裂纹扩展行为。Kaibyshev 等12分析了 2219 铝合金应变速率在温度范围为 250500 的变形过程中随温度的变化，得出了 2219 铝合金在热变形试验过程中可能存在阈值压力。Tomasella 等13对 HC340LA钢进行了疲劳试验，得到了 2219 铝合金在变幅载荷作用下的疲劳寿命。焊接接头作为结构件的薄弱位置14-16，目前对于不同焊接工艺方法下焊接接头疲劳性能对比的研究较少，而该研究对于产品的实际应用有重要意义。钨极惰性气体保护焊（TIG）17-20和搅拌摩擦焊（FSW）21-25是目前铝合金焊接中较为成熟的焊接工艺方法，其焊接接头表现出优异的力学性能。因为不同的焊接工艺条件对服役过程中材料的疲劳性能有明显影响，所以针对不同焊接工艺条件下材料疲劳断裂行为的研究极其重要。因此，文中研究 TIG 和 FSW 2 种焊接条件下 2219 铝合金板材的疲劳裂纹扩展行为，同时对疲劳裂纹扩展的路径曲线和断口形貌进行试验观察，研究不同焊接工艺条件下该合金材料的疲劳断裂机理，为该合金后期工程应用实践的发展提供重要的参考依据。1 试验方法 1.1 试验材料和方法 试验的试样材料均采用 2219 铝合金板材，2219铝合金的化学成分含量如表 1 所示。通过采用 TIG 和FSW 2 种不同的焊接工艺方法对 2219 铝合金板材试样进行对接焊接，同时采用线切割将试样进行剪切，然后对试样母材（Base Matal，BM）、焊缝区（Weld Zone，WZ）和热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）的疲劳裂纹扩展行为进行系统研究。图 1 显示了 2219铝合金试样的加工尺寸示意图。测试试样宽度W=50 mm，厚度 B=6 mm。试验前，在样品中心制作一个深度 an=7.5 mm 的预制机械切口。使用型号为SDS50 的电液伺服疲劳试验机在室温环境下进行试验，通过采用 2 mm 预制疲劳尖端裂纹切口，模拟实际工件结构中存在的裂纹模型。在试验开始前，先使用 400#、800#、1500#、2000#的 SiC 砂纸将合金试样一侧的表面打磨光亮以方便 表 1 2219 铝合金成分组成 Tab.1 Composition of 2219 aluminum alloy Element Cu Mn Si Zr Fe Mg Zn V Ti Al Mass fraction/%5.8-6