超声冲击对高强铝合金搅拌摩擦焊接接头疲劳机制影响的研究进展

李 辉，付 磊,2，林 莉，黄新杰，罗云蓉，李秀兰，范 琪，谌理飞

(1.四川轻化工大学 机械工程学院，四川 自贡 643000；2.四川大学 空天科学与工程学院，四川 成都 610065；3.四川轻化工大学 材料科学与工程学院，四川 自贡 643000)

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding，FSW)技术是20世纪90年代英国焊接研究所提出的一种固相连接新技术[1]。其焊接过程可简化为旋转、插入、塑化、焊接。由于FSW杰出的焊接能力，使铝、镁基轻合金的连接方式发生了革命性变化，被迅速应用到航空航天工业，解决了高强铝合金使用常规焊接方法难焊接的瓶颈问题。利用FSW代替传统铆接结构将进一步实现轻量化生产理念。经过发展，FSW对于异种材料在非常规焊接环境下也得到应用[2-4]。同时，超声冲击处理(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)作为一种表面后处理方式，能够使焊接接头表面硬化，有益残余应力增加，提高材料表面性能[5-6]。该工艺最早被苏联用于改善核潜艇表面性能，进而提高核潜艇疲劳寿命[7]。由于其低成本、高效能等特点，从20世纪80年代起，相关研究院及高校研究人员开始探究超声冲击对焊接接头疲劳性能的影响机制以及超声冲击材料表面纳米化的研究[8-12]。其中Panin A V等[13]采用不同的超声和热处理组合对铁素体-马氏体EK-181钢(Fe-12Cr-2W-V-Ta-B-C)进行处理并对组织和表层相组成进行了研究，结果表明：只有在淬火和时效的过程中进行超声冲击处理，才会在碳化钒颗粒晶界处析出纳米晶α相结构；此外，中间超声冲击处理对单轴拉伸试样的屈服极限提高最大。Auezhan Amanov等[14]进一步研究显示超声纳米晶表面改性能够使AZ91D镁合金表层晶粒尺寸达到39 nm，晶粒尺寸随着表层深度增加而增大，且经处理的试样表现出更好的摩擦学性能，表面摩擦性能提升20%～30%。

国内外相关研究成果丰硕，基于此本文作者主要对FSW技术原理及UIT装置原理、UIT对高强铝合金FSW接头疲劳性能影响机制、超声辅助搅拌摩擦焊工艺参数对焊接接头性能的影响、数值模拟与疲劳寿命特性曲线在研究过程中的应用等方面进行简要概括，并展望对高强铝合金FSW接头疲劳机制影响的进一步研究方向。

1 搅拌摩擦焊技术原理与超声冲击装置原理

1.1 搅拌摩擦焊接技术原理

搅拌摩擦焊接是一种通过具有特殊设计搅拌针和轴肩对焊接件进行连接的非消耗旋转运动，其中最主要的两个过程是工件的加热塑化与材料的流动形成接头。加热塑化的过程是通过搅拌针与工件摩擦产生的热量使被焊材料塑化，通过轴肩的旋转下压与平移运动使塑化材料流动最后形成焊接接头，FSW示意图如图1所示[15-16]。

1.2 超声冲击处理装置原理

UIT装置结构简单、操作方便，主要由手持工具和装有超声波发射器以及控制面板的电源组成，其中发射频率可变换，冲击头可根据待加工表面的不同而选择不同的样式，UIT示意图如图2所示[17-19]。相比传统表面处理方式，UIT提高表面性能效果显著且优势明显，因此国内外学者开始逐步探究UIT对焊接接头疲劳性能的影响机制[20-22]。

2 超声冲击对高强铝合金搅拌摩擦焊接接头疲劳性能影响机制

2.1 改善接头应力集中及残余应力

通过FSW得到的焊接接头存在残余应力与应力集中的现象，因此为了提高FSW接头的疲劳性能，必须改善接头的残余应力。UIT处理能够增加焊缝的位错密度，促进焊缝中位错胞状结构的形成，进而导致焊缝屈服应力和显微硬度的增加[24]；同时UIT使材料表层产生有益残余压应力可有效降低试样表面最大拉应力，从而降低裂纹从表面形核的可能性，提高疲劳寿命。天津大学杨秋林[25]测定得知UIT在7075-T651铝合金FSW接头表面产生约为100 N/mm2的横向压缩残余应力，在距表层300 μm的位置，产生了大约217.3 N/mm2的压缩残余应力，随着距表层的深度增加，在距表层800 μm以及更深的位置，压缩应力转变为拉伸应力。由此可知，UIT能够有效改善焊接接头表层残余应力，产生有益压缩应力，减少应力集中，使材料表面应力均匀化，从而延缓裂纹萌生，提高7075-T651铝合金FSW接头疲劳性能。同样，经UIT后的Q370qE钢焊接接头左右焊趾处的残余压应力提升大约8～12倍，且焊趾区过渡半径增大1.5倍，从而应力集中系数降低，提高了焊接接头的抗疲劳性能[26]。A.Berg-Pollack等[27]的研究表明,UIT能使铸造铝合金表面产生塑性变形并产生压缩残余应力。

2.2 改善材料微观组织

多数情况下，由于表层材料的破坏导致构件的失效，所以适当的材料表面改性方法能大幅提高材料各项性能。UIT作为一种新型表面处理方式，其实现材料表面纳米化备受广大研究人员的关注[28-30]。由于镁合金和铝合金有极其相似的焊接特性，都属于难焊接的材料，华东交通大学熊磊[31]采用UIT处理MB8镁合金搅拌摩擦焊接接头，得知由于位错的产生与缠结导致塑性变形，随着UIT能量的不断增大，晶粒细化效果越明显，且部分晶粒尺寸小于100 nm，实现UIT表面纳米化。同样，超声冲击如何改善高强铝合金焊接接头微观组织以及超声辅助搅拌摩擦焊对焊接区晶粒尺寸、焊缝表面纹理以及焊接接头性能影响机理也受到广泛研究[32-37]。其中Z.M.Li等[38]通过对比观察2A12铝合金焊接头得知，如图3a为未经UIT的铸态枝晶结构，微观组织形态表现为晶粒粗大、晶界明显且带有大量焊接收缩缺陷；经UIT后距焊接接头表层大约100 μm的亚表层晶粒产生明显的塑性变形和拉伸伸长如图3b；随着厚度增加，如图3c所示，在距表层大约150 μm～200 μm的晶粒组织细密，且宏观颗粒形态不明显。由此可见，UIT能够使接头表面产生较大弹塑性变形，并细化晶粒同时减少焊接缺陷，提升疲劳性能。

UIT能够使冲击表面层以及内层产生额外的变形，从而降低焊接接头表面粗糙度，减小裂纹萌生的概率，对于UIT铝合金搅拌摩擦焊接接头在超高周疲劳状态下的研究，西华大学李雪等[39]认为疲劳裂纹萌生由试样表面向内部转移的主要原因是超声冲击致使表层晶粒细化，形成一层致密强化层，裂纹萌生及扩展阻力有效提升，进而提升疲劳强度。

2.3 不同超声冲击参数对FSW接头疲劳性能的影响

随着工程实际的需要，UIT处理技术在各种制造工艺中都被广泛应用与研究[40-41]。在焊接领域，研究人员将UIT应用于搅拌摩擦焊接技术。其中，华东交通大学魏康等[42]采用不同超声冲击参数处理MB8镁合金焊接接头，并测试其变形厚度层及其抗拉强度，结果如图4所示。由图4a、b、c中箭头长度可知，在保持冲击电流相同的情况下，UIT处理时间依次为2 min、4 min、6 min时，其塑性变形层厚度逐渐增加，且因为冲击过程中的晶粒滑移导致变形层厚度不均匀。对拉伸断口形貌进一步分析得知，图5所示分别为冲击前与冲击4 min、6 min的焊接接头拉伸断口形貌，分析可知UIT时间的变化并不会改变焊接接头断裂机理。也有学者通过实验证明在相同的冲击力和冲击次数下，累积应变随冲击频率的增大而增大[24]。

S Gao等[43]的实验结果证明，超声波振动的使用能够增强AA2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接接头搅拌区和变形区组织性能；因为超声波振动改善了塑性区的流动性，降低向下的物料流动应力；同时能够使析出相Al2CuMg均匀分布，从而改善其力学性能；从EBSD分析结果可知，大角度晶界(HAB)比例的增加，使得被焊工件在超声振动强化搅拌摩擦焊工艺(UVeFSW)过程中位错密度增加并在焊缝区引入额外的应变，这有利于亚晶粒的旋转，从而改善重结晶过程促使晶粒细化，这无疑能改善AA2024-T3搅拌摩擦焊接接头疲劳性能。Masoud Ahmadnia等[44]进一步探究了超声辅助搅拌摩擦焊工艺焊接AA6061铝合金不同超声辅助搅拌摩擦焊接参数对焊接接头性能的影响，得到了特定性能对应的最优参数。

3 数值模拟在研究过程中的应用

有限元数值模拟研究方法近年来发展迅速，广泛应用于生产和生活各个领域[45]。由于其拥有强大的计算仿真能力，也被运用到焊接领域温度场、应力场以及热力耦合数值模拟，因为大多数焊接件体积庞大、结构复杂，常规测量手段难以得到其应力场以及温度场数据。内蒙古工业大学贾翠玲等[46-48]利用abaqus有限元软件对UIT处理7A52铝合金焊接应力的影响进行数值模拟，基于弹塑性有限元法，建立UIT模型、7A52铝合金焊接模型，对比模拟与实验结果，UIT处理能明显改善焊缝中心残余拉应力，焊接接头残余压应力随着冲击频率增加而小幅度增加，相比横向应力，UIT对纵向应力改善更为显著；作者采用数值模拟方法进一步探究了弹性模量E、泊松比υ以及静态屈服强度Rp0.2对焊后UIT处理应力应变的影响，结果表明，三者影响程度各不相同，其中，冲击处最大压应力随着E的增大而增大，x方向压应力随着v增加而增加。UIT改善焊后残余应力是提高疲劳性能的重要原因，陈健等[49]运用ansys有限元软件对有无残余应力的6061铝合金焊接接头进行UIT过程的数值模拟，建立了焊接残余应力数值模型与UIT数值模型，模拟结果显示，冲击初始阶段，未产生塑性变形；冲击15 μs～25 μs，表面塑性变形量随着距冲击中心的距离增大而增大；冲击25 μs之后，UIT使距离冲击表面0.6 mm的位置产生最大塑性应变，并非冲击中心表面；对比分析载荷位移0.4 mm时的模拟值与实测值可知，尽管冲击后残余应力二者相差甚大，但残余应力差值Δσ相当接近，所以UIT模拟结果与实际情况相符，表明UIT能改善残余应力。

4 应力-寿命曲线及寿命预测在疲劳研究过程中的探究

疲劳破坏是工程中最常见的失效模式，所以疲劳行为一直是工程界关注的热点问题，工程上将应力比R=-1的对称恒幅循环载荷下获得的应力-寿命关系称为材料的基本疲劳性能曲线[50]。国内外众多学者对其进行了大量研究[51-53]。关于UIT对2A12铝合金焊接接头疲劳特性曲线的影响，李占明等[54]采用最小二乘法拟合实验结果，得到如图6a所示的拟合直线，分析可知：焊接接头循环次数随应力水平的降低而增大，对于同一疲劳循环周次，UIT后试样的疲劳强度明显高于未UIT的接头试样的。A.G.Grigoryants等[19]的进一步实验结果如图6b所示，得知经UIT的焊接接头疲劳强度大幅提升，几乎与母材的相同。

吴明孝[55]进一步通过实验数据拟合了存活率50%的中值疲劳寿命曲线和存活率95%、置信度75%的安全疲劳寿命曲线，通过对比两种情况下的疲劳寿命拟合曲线与母材疲劳寿命曲线可知，超声振动强化搅拌摩擦焊的疲劳实验数据分散性最大，在50%存活率下的疲劳寿命分散性达到母材的50%，且疲劳寿命大幅提升。

5 结束语

自搅拌摩擦焊接与超声冲击处理技术出现至今，国内外众多科研工作者对其进行了大量的研究；其中包含超声冲击改善搅拌摩擦焊接接头应力集中及残余应力，从而提升有效残余压应力，降低裂纹萌生率；超声冲击实现表面纳米化也逐步得到验证；以及不同超声冲击参数对搅拌摩擦焊接头疲劳性能的影响，数值模拟和疲劳特性曲线也被运用于研究超声冲击对搅拌摩擦焊接接头疲劳性能的影响，但是多数研究的重复实验次数太少，仍需深入研究，根据研究进展，作者认为在以下方面还需要进一步深入探究。

1)对于不同材料或者厚度的搅拌摩擦焊接头，不同的超声冲击参数对接头各项性能改善程度必定不同，所以仍需大量实验探究，以期得到不同搅拌摩擦焊接头的最优冲击参数。并探究材料面对不同超声冲击参数时具体的微观机理变化，进一步研究对其疲劳性能的影响。

2)数值模拟技术在研究过程中已经受到广泛运用，模拟结果与实测结果基本吻合，但是由于计算机软件以及模拟模型的限制，现阶段的模拟办法大都将整个冲击过程的能量一次采用计算机加载到焊接接头，最终模拟结果往往会出现较大误差，所以，需要建立完善的模拟模型将每一次冲击过程都模拟出来，进一步结合实验得到精确的结果。

3)超声冲击处理搅拌摩擦焊接接头对其耐腐蚀性能的具体影响机理有待研究，进一步完善和建立相关寿命预测模型也是未来一个重要的研究方向；此外，需要结合数据库技术、计算机网络技术、柔性制造技术、智能控制技术等先进技术进行智能超声冲击设备的开发。