5754铝合金钨极氩弧焊和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能及断裂机理

疲劳性能及断裂机理乔亚霞I,赵雷2,徐连勇2,张浩I,张鹏飞I,韩永典2（1.中国电力科学研究院有限公司，北京100192；2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072）摘 要:分别采用筠极氫弧焊（GTAW）和搅拌摩擦焊（FSW）对10 mm厚5754铝合金进行双

面同步焊接，对比研究了应力幅为162,135,117,108,99 MPa时焊接接头的疲劳性能，并对其疲劳

断裂机理进行了分析。结果表明：在指定应力幅下,5754铝合金GTAW接头的疲劳强度明显高于

FSW接头的，在50%和95%存活率下，GTAW接头的疲劳强度特征值比FSW接头的分别提高了

27%和30%,GTAW接头的疲劳性能优于FSW接头的；GTAW接头与FSW接头的疲劳断裂机 理基本相同，疲劳裂纹均起源于接头熔合区的外表面，随着应力幅的降低，疲劳裂纹扩展区在断口 中的占比增加，且同等应力幅下GTAW接头疲劳裂纹扩展区的占比高于FSW接头的；同等应力

幅下GTAW接头的疲劳辉纹间距比FSW接头的小，GTAW接头的疲劳寿命长于FSW接头的。关键词：5754铝合金；焊接接头；疲劳性能；断裂机理中图分类号：TG115.21 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2019）10-0030-05Fatigue Property and Fracture Mechanism of 5754 Aluminum Alloy GTAW

and FSW JointsQIAO Yaxia1, ZHAO Lei2, XU Lianyong2, ZHANG Hao1, ZHANG Pengfei1, HAN Yongdian2(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China；2. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: 5754 aluminum alloy with thickness of 10 mm was welded by gas tungsten arc welding (GTAW)

and friction stir welding (FSW) using a double-sided synchronization welding method. The fatigue property of

welded joints at stress amplitudes o£ 162, 135, 117, 108, 99 MPa was compared and studied, and fracture

mechanism was analyzed. The results show that the fatigue strength of GTAW joint at given stress amplitudes was

obviously larger than that of FSW joint. The fatigue strength eigenvalues at 50% and 95% survival percent of

GTAW joint increased by 26.3% and 24.4%, respectively, compared with those of FSW joint, indicating that the

fatigue property of GTAW joint was better than that of FSW joint. The fatigue failure mechanism of GTAW and

FSW joints was almost the same. The fatigue cracks all initiated at the outer surface of fusion zone of joints. With the decrease of stress amplitude, the proportion of the fatigue crack propagation zone increased. At the same stress amplitude,

the proportion of crack propagation zone of GTAW joint was larger than that of FSW joint The spacing of fatigue striations

in GTAW joint was narrower, indicating that the fatigue life of GTAW joint was larger than that of FSW jointKey words: 5754 aluminum alloy； welded joint； fatigue property； fracture mechanismo引言轻量化是轿车、轨道交通等工业领域实现节能、环保的有效途径之一，因此采用高性能的轻质铝合

金代替钢已成为相关工业关注的焦点。5754铝合 金是一种典型的Al-Mg系合金，具有强度中等、耐

腐蚀性良好、焊接性能优异及易于加工成形等特点，

收稿日期：2018-08-08 ；修订日期:2019-08-13基金项目：国家电网公司特高压GIL科研专项项目其抗拉强度可达到165〜265 MPa；该合金是汽车制 造业和制罐工业中常用的材料I】。5754铝合金是

作者简介:乔亚霞（1977-）,女，山西运城人，高级工程师，硕士 30不可热处理强化铝合金，一般在退火状态下使用。

MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING乔亚霞.等：5754铝合金钩极氫弧焊和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能及断裂机理目前，有关该铝合金的研究主要集中在性能以及加 表1 5754铝合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of 5754 aluminuinalloy (mass)

工和退火工艺对性能的影响等方面。但是,在实际 应用中，用于制造汽车车身、车门、气体绝缘输电线 路（GIL）壳体等的5754铝合金均需要进行焊接加 工。现今，国内普遍采用惰性气体保护焊（MIG

%Zn

TiMgMnCr SiFe Cu Al2.60〜3.6 <0.50 <0.30 <0.40 <0.40 <0.20 <0.15 <0.10 余焊）、铸极氮弧焊（GTAW）工艺对铝合金进行焊接，

表2Table 25754铝合金GTAW工艺参数然而由于铝合金的化学性质活泼、线膨胀系数大、导 热性强，因此在熔焊时接头易产生气孔、夹渣等缺

GTAW process parameters for 5754 aluminum alloy焊丝陷，且焊接变形较大［用。搅拌摩擦焊（FSW）作为 一种新型的固态焊接技术，具有应力低、变形小、能 耗低、可焊接多个系列铝合金等特点,广泛应用于航

位置上层下层焊接电源电流/A 电压/V焊接速度/(cm^min-1)30〜3130 〜31ER5183ER5183交流交流280〜310 330〜350

19〜2124〜26空、航天、轨道交通等领域中轻质铝合金的连接口切。疲劳断裂是焊接结构件失效的主要形式，因交

表3 5754铝合金FSW工艺参数Table 3 FSW process parameters for 5754 aluminum alloy变载荷引起的疲劳断裂事故占机械结构失效事故总 数的80%〜90%,因此连接接头的疲劳性能是保证

位置上层轴肩直径/mm20针长/mm65转速/焊接速度/(cm*min_1)

3030结构安全可靠的关键因素“切。研究5754铝合金

(r«min-1)

不同焊接接头的疲劳性能对优化5754铝合金焊接 制造工艺具有重要意义;而目前鲜见有关5754铝合

1 000下层18800金GTAW接头与FSW接头疲劳性能对比的报道。 为此，作者采用双面同步GTAW和FSW技术制备

按照GB/T 3075—2008,在无损检测合格的焊

接接头上，垂直于焊缝方向截取如图1所示的疲劳 试样，焊缝位于试样中间，将搅拌摩擦焊产生的飞边

了 5754铝合金焊接接头，对比研究了焊接接头的疲 劳性能，并对其疲劳断裂机理进行了分析。去除。在GPS200型数字化高频疲劳试验机上进行

1试样制备与试验方法疲劳试验，采用应力控制方式，应用单向拉-拉循环 载荷模式，循环应力比为0.1,单轴加载频率为

试验材料为5754铝合金，化学成分见表1；其 屈服强度不低于80 MPa,抗拉强度为190〜

（120±5） Hz。若加载循环次数达到10?周次时试样 仍未发生断裂失效，则可认定达到或低于疲劳极限。

240 MPa,伸长率不小于18%。焊接试样的尺寸为 200 mmX200 mmX 10 mm,焊接前对端面进行机 械加工，之后用酒精擦洗，以去除油污。分别采用

根据焊接接头的抗拉强度设计了 5组循环应力水

平,应力幅分别为162,135,117,108,99 MPa,试验过 程中同一应力幅下测3个平行试样。采用SU1510 型扫描电子显微镜（SEM）对接头疲劳断口形貌进行

GTAW和FSW方法对试样进行焊接,焊接工艺参

数分别见表2和表3,均采用双面同步焊接方法。观察,分析疲劳裂纹的形成、扩展及断裂机理。180(a) GTAW接头(b) FSW接头图1焊接接头疲劳试样的形状和尺寸Fig.1 Shape and dimension of fatigue samples of welded joints： (a) GTAW joint and (b) FSW joint2试验结果与讨论头的应力幅-循环次数曲线（S-N曲线）。由图2可 以看出,GTAW接头在同等应力幅下的疲劳寿命比

2.1疲劳性能根据接头的疲劳测试结果，绘制出不同焊接接

FSW接头的长，并且随着应力幅的降低，2种接头 疲劳寿命的差异减小。31MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING乔亚霞，等：5754铝合金鹄极氫弧焊和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能及断裂机理170 r160150140130-120-■ ■ COD■-FSW接头 o —GTAW接头在循环次数为107周次时，与Cm和Ck对应的 疲劳强度特征值和Affk分别表示为皿=（壽） ⑺OB3&k = （岳）

Of未断⑻110100-CED90-103计算出的不同焊接接头的疲劳数据统计结果如

104 105 106 107 108循环次数/周次

图2不同焊接接头的S・N曲线Fig.2 S-N curves of different welded joints表4所示。由表4可以看出，在给定应力幅下，

GTAW接头的疲劳强度明显高于FSW接头的，在 50%和95%存活率下，其疲劳强度特征值比FSW 接头的分别提高了 27%和30%。综上可知,在相同 应力幅下,GTAW接头的疲劳性能优于FSW接头 的，并且随着应力幅的降低,2种焊接接头间疲劳性

应力幅和循环次数的关系通常以指数形式表 达，其表达式为C=N（Sm

的斜率;N为循环次数。（1）式中:加为应力幅;C为材料常数;加为S-N曲线

S-N曲线的斜率可利用最小二乘法原理拟合

能的差异减小。表4不同焊接接头的疲劳数据统计结果Table 4 Fatigue data statistical results of different

welded joints接头获得，拟合公式为lg（Acr） = — BlgN+A

m =1/B

式中:A和B均为拟合常数。将不同=

（2）（3）50%存活率m95%存活率cmAjm/MPack2.764X10201.926X1014Affk/MPa65.5GTAW接头FSW接头7.44.878X10204.33.233X1O1470.855.8和加代入式（1）,得

49.4到一组C, （t = 1,2,…，”），其均值Cm及标准偏差S°的计算公式〔⑵为》lgC,2.2疲劳断口形貌当应力幅为99 MPa时，试样并未发生断裂，因

nlgC(4)此未观察到其断口形貌。由图3和图4可以看出，

GTAW和FSW接头的疲劳断口均由疲劳裂纹源 （圆圈所示位置）、疲劳裂纹扩展区（亮白色区域）、瞬

lgSc =工(lgCmTgOn 一 1(5)断区（深灰色区域）等3部分组成。疲劳断口平齐, 几乎与加载的轴向力方向垂直，没有明显的凸起或

式中:\"为疲劳试样数量。根据国际焊接学会推荐的焊缝区疲劳数据规范

凹坑，表面光滑;疲劳裂纹主要在接头熔合区的外表 面处萌生，未在断口内部发现明显的由焊接缺陷引

统计方法,计算出各种状态下焊缝区的疲劳特征值。

Cm即对应50%存活率的特征值,而对应95%存活 率的特征值Ck的计算公式为起的裂纹;在疲劳裂纹源和疲劳裂纹扩展区未观察 到宏观的塑性变形，仅在瞬断区存在一定的塑性变 形;随着应力幅的降低,接头疲劳裂纹扩展区在断口 中的占比增大，对比发现相同应力幅下GTAW接头lg Ck = lg Cm - + 1.64)lg Sc(6)(a) 108 MPa (b) 117 MPa (c) 135 MPa (d) 162 MPa图3不同应力幅下GTAW接头的疲劳断口宏观形貌Fig.3 Macroscopic fatigue fracture appearance of GTAW joints at different stress amplitudes32MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING乔亚霞•等：5754铝合金鸽极氮弧焊和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能及断裂机理(a) 108 MPa(b) 117 MPa(c) 135 MPa(d) 162 MPa图4不同应力幅下FSW接头的疲劳断口宏观形貌Fig.4 Macroscopic fatigue fracture appearance of FSW joints at different stress amplitudes疲劳裂纹扩展区的占比高于FSW接头的，尤其是 在低应力幅下，该趋势更明显。由于疲劳裂纹扩展

疲劳辉纹从疲劳裂纹源向外扩展，其间距受接头所 受应力水平的影响。对比不同应力幅下疲劳辉纹的

区对接头疲劳寿命具有重要的影响，因此可知 形貌可以发现.低应力幅下疲劳辉纹间距较小,说明 裂纹扩展速率较小，材料抵抗裂纹扩展的抗力较大, 因此低应力幅下接头的疲劳寿命较长「⑷。GTAW接头的疲劳寿命比FSW接头的长。重点对比分析了低应力幅(108 MPa)和高应力 幅(162 MPa)下接头疲劳断口的微观形貌。由图5

由图5(e)和图5(f)可以看出，瞬断区为韧窝形

(a)和图5(b)可以看出：在不同应力幅下FSW接头 的疲劳裂纹都在熔合区外表面棱边的尖角处萌生,

貌，且高应力幅下韧窝的密度比低应力幅下的大，这 是由于高应力幅下疲劳裂纹扩展区占比较小•瞬断

且萌生区域存在非金属夹杂物，这是因为加载时几 何形状突变处存在应力集中，有利于微裂纹的萌

区面积较大，因此韧性断裂行为更加明显。疲劳裂 纹的持续扩展使剩余截面上的应力不断增加,裂纹扩

生；疲劳裂纹源区存在大量密集的放射线和疲劳 台阶，其周边金属发生一定程度的变形，同时在高应

展速率也相应增加;当剩余截面不足以支撑所加载荷

时,试样瞬间断裂，断口具有典型的静载撕裂特征。由图6可以看出:GTW接头的疲劳断口较平

力幅下还发现断续分布的二次裂纹。由图5(c)和图5(d)可以看出，疲劳裂纹扩展区

滑.裂纹也在接头熔合区外表面棱边处萌生，且萌生 区域存在大量的非金属夹杂物和疲劳台阶，高应力幅

的变形程度很小，断口较平坦,存在清晰的垂直于裂 纹扩展方向的疲劳辉纹，这表明FSW接头的疲劳

下疲劳裂纹源处存在大量的二次裂纹;疲劳裂纹扩展

裂纹扩展方式为穿晶扩展，具有解理断裂的特征。

区存在明显的呈放射状分布的疲劳辉纹;GMW接头

(a) 108 MPa,疲劳裂纹源 (b) 162 MPa,疲劳裂纹源 (¢) 108 MPa,疲劳裂纹扩展区(d) 162 MPa,疲劳裂纹扩展区 (e) 108 MPa,瞬断区 (f) 162 MPa,瞬断区图5在108,162 MPa应力幅下FSW接头疲劳断口 SEM形貌Fig.5 SEM fatigue fracture morphology of FSW joints at stress amplitudes of 108, 162 MPa: (a—b) fatigue crack initiation;(c—d) fatigue crack propagation zone and (e—f) instaneous fracture zone33MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING乔亚霞，等：5754铝合金筠极氫弧焊和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能及断裂机理的瞬断区具有明显的韧窝形貌,且高应力幅下的韧窝

劳寿命较长。接头疲劳试样保持了2种焊接方法下

更密集。通过对比可以发现,GTAW接头和FSW 接头断口形貌的不同主要集中在疲劳裂纹扩展区， 相同应力幅下GTAW接头疲劳裂纹扩展区疲劳辉

的原始接头形貌。在双面焊FSW过程中搅拌头的 挤压作用使接头表面略低于母材表面，导致FSW 接头存在较大程度的应力集中问。综上可知，

纹的间距比FSW接头的小，因此GTAW接头的疲 GTAW接头的疲劳性能优于FSW接头的。(a) 108 MPa,疲劳裂纹源 (b) 162 MPa,疲劳製纹源 (c) 108 MPa,疲劳裂纹扩展区(d) 162 MPa,疲劳裂纹扩展区 (e) 108 MPa,瞬断瞬区 (f) 162 MPa,瞬断区图6 在108,162 MPa应力幅下GTAW接头的疲劳断口 SEM形貌Fig.6 SEM fatigue fracture morphology of GTAW joints at stress amplitudes of 108, 162 MPa: (a—b) fatigue crack initiation;(c—d) fatigue crack propagation zone and (e_f) instaneous fracture zone3结论(1) 在给定应力幅下,5754铝合金GTAW接 头的疲劳强度明显高于FSW接头的，在50%和

[2] 胡静远，王孟君，唐建国.汽车用5754铝合金板成形极限的

理论预测与实验研究[J].热加工工艺,2017,46(17):137-140.[3] 黄元春，成再春，肖政兵，等.退火温度对冷轧态5754铝合

金板材组织与性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程，

95%存活率下,GTAW焊接接头的疲劳强度特征值 比FSW接头的分别提高了 27%和30% ； GTAW接 头的疲劳性能优于FSW接头的，并且随着应力幅 的降低,2种焊接接头疲劳性能的差异减小。2017, 22(3)： 360-365.[4] RHAGHAYEGHI R. Effect of external forces on

microstructural evolution and mechanical properties of high

pressure die cast AA5754 alloy [ J ]. Transactions o£

Nonferrous Metals Society of China, 2017, 27(2): 282-28&(2) GTAW接头与FSW接头的疲劳断裂机理 基本相同，疲劳裂纹均起源于焊接接头熔合区的外 表面，随着应力幅的降低，疲劳裂纹扩展区在断口中 的占比增加，且同等应力幅下GTAW接头疲劳裂

[5] 董晓英.建筑装饰用AA5754铝合金在激光电弧复合焊接过

程中焊缝形貌及性能变化[J].电焊机，2016, 46(3)： 71-74,[6] 农琪.谢业东，金长义，等.铝合金焊接技术的研究现状与展

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组织性能研究[J].精密成形工程，2018, 10(5)： 33-37.m 戴启雷，张融，江晓明，等.AA6082铝合金搅拌摩擦焊接头

纹扩展区的占比高于FSW接头的。(3) GTAW接头与FSW接头疲劳裂纹扩展区 中都存在清晰的疲劳辉纹-GTAW接头的疲劳辉纹

疲劳扩展速率[J].焊接，2018(2)： 48-50.[9]余爱武，宿国友，张春峰，等.铝合金螺旋管FSW焊与纵缝

间距比FSW接头的小,GTAW接头的疲劳寿命长 于FSW接头的。参考文献：[1]何建贤，赵启忠，朱希一，等.退火温度对5754铝合金冷轧

管熔焊组织及力学性能对比LQ电焊机,2018,48(8):48-52.[10] 张聃.陈文华，孙燿华，等.焊接方法对2219铝合金焊接接

头力学性能的影响口].航空材料学报，2013, 33(1)： 45-49.[11] LIU A, TANG X, LU F. Study on welding process and

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29-31.34(下转第40页)MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING周法权，等：单双道搅拌摩擦焊接5083/6082异种铝合金T型接头的组织与力学性能区的硬度无明显差异，双道焊接头热影响区的硬度 侧弯曲时发生脆断，断裂角度为3.0°,呈现出明显的

较单道焊接头热影响区的低，这是由于双道焊接的 热输入增大，使得热影响区的析出强化相(Mg2Si 相)发生粗化,强化作用减弱，软化作用增强⑺旳。非对称性;反方向双道焊T型接头前进侧和后退侧 弯曲时均发生明显屈服，屈服角度分别为3.9°,4.4°, 断裂角度分别为13.8°,16.0°,两侧弯曲性能良好。参考文献：[1] 王国庆，赵衍华.铝合金的搅拌摩擦焊接[M].北京：中国宇

航出版社，2010.3结论(1) 单道搅拌摩擦搭接焊T型接头的搭接界面 由未焊接区、有效结合区和弱结合区组成，有效结合

区位于前进侧焊缝中，弱结合区位于后退侧焊缝中； 反方向双道搭接焊T型接头的搭接界面由未焊接

[2] 柯黎明，邢丽，刘鸽平.搅拌摩擦焊工艺及其应用[J].焊接技

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区和有效结合区组成，弱结合区缺陷消除，有效结合

区宽度比单道搭接焊T型接头的宽1倍左右;有效 结合区均呈齿状结构形貌。42(2)： 69-73.[4] 刘德佳，丁江濒，涂文兵，等.T型接头搅拌摩擦焊接的研究

(2) 单、双道焊T型接头壁板方向的显微硬度 保持在75 HV左右，筋板方向的显微硬度随着距壁 板上表面距离的增加先保持不变再降低再升高最后

进展口].材料导报，2016, 30(23)： 68-73.[5] 周光.铝合金搅拌摩擦焊T型接头焊接工艺及组织性能研究

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擦焊工艺[J].中国有色金属学报，2013, 23(11)： 3048-3055.趋于稳定，最低硬度出现在筋板热影响区，其值约为

65 HV；双道焊接头筋板方向的热影响区硬度低于 单道焊接头筋板方向的。m 柯黎明.魏鹏，邢丽，等.双道焊对搅拌摩擦焊搭接界面及接

头性能的影响[J].焊接学报，2011, 32(7)： 5-&[8] 谢永辉，杨新岐，崔雷.6061-T4铝合金单双道搅拌摩擦焊T

(3) 单、双道搭接焊T型接头在T方向拉伸 时的抗拉强度相近，断裂均发生在壁板母材中；单

道搭接焊T型接头在L方向拉伸时的抗拉强度为

型接头组织及性能[J].中国有色金属学报,2015,25(1):72-79.[9] CUI L, YANG X Q, XIE Y H, et al. Process parameter

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120 MPa,断裂发生在界面处，双道搭接焊T型接 头的抗拉强度则为228 MPa,断裂发生在筋板热

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影响区。(4) 单道搭接焊T型接头在前进侧弯曲时发生

明显屈服，屈服角度为4.3°,断裂角度为16.4°,后退

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头的疲劳性能及组织[J].机械工程材料,2011,35(5),55-5 &[13] 林贤军，汪认，朱忠尹.环境温度对A6N01铝合金焊接接头40