7075铝合金搅拌摩擦加工的实验材料与实验方法
7075-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展特性
7075-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展特性1陈加华1，杨新岐1，吴海亮1，栾国红21天津大学材料科学与工程学院，北京 (300072)2中国搅拌摩擦焊中心北京搅拌摩擦焊技术有限公司，北京 (100024)E-mail：chenjiahua2008@!摘要：搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型固相连接技术在铝合金等轻型合金连接方面具有很大的优势，建立合理有效的疲劳评定标准是FSW技术推广和应用的必要条件。
本文通过对7075-T6FSW接头不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行实验，来研究铝合金FSW接头的疲劳性能。
实验结果表明：后退边HAZ疲劳裂纹扩展速率最慢，而垂直于焊缝区的扩展速率则最快；焊缝中心区的扩展速率在低△K区会低于前进边HAZ，而到裂纹扩展后期，疲劳裂纹扩展速率会高于前进边HAZ；与IIW标准的推荐值相比，所有区域的疲劳裂纹扩展速率均显著低于推荐值，这说明FSW接头的疲劳性能较好。
关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；疲劳裂纹扩展速率；焊接缺陷1．引言进入21世纪，能源问题已经成为世界上所有国家经济发展的制约因素，节约能源成为大家的共识，而构件轻量化是其中重要途径，铝合金的使用能大大减轻构件的重量。
铝合金材料具有比强度高，耐腐蚀和易成形等一系列优点，如7xxx系列，在航空、航天、高速列车和高速舰船等工业制造领域得到越来越广泛的应用。
但是，铝合金具有熔点低、热传导系数较大、热膨胀率高等特点，如采用传统熔焊连接时，将很难保证接头质量[1]。
搅拌摩擦焊（Fiction Stir Welding, 简称FSW）是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的新型固相连接技术，并在全世界范围内申请了专利保护[2]，被誉为是继激光焊接后最为革命性的连接方法。
国内外已有大量实验证明：FSW技术能很好地连接铝合金，且接头强度比熔焊有很大提高。
但在国内关于搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究的文献还非常之少，尤其是疲劳裂纹扩展速率的文章。
7050铝合金文档
7050铝合金是一种可热处理强化的超硬铝合金材料,熔铸方便,成形性好,具有良好的综合性能。
由于铝合金弧焊时焊缝经常会产生气孔、裂纹、咬边等缺陷,特别是对于热处理强化的超高强铝合金,其弧焊焊接性更差,极易出现热裂纹,严重阻碍了7050铝合金在工业中的应用[1]。
搅拌摩擦焊(FSW)作为一种高效、优质、环保、低成本的新型焊接方法[2]对7xxx系高强铝合金可以进行很好的焊接。
本文选取8mm的7050-T7451铝合金板进行单道对接搅拌摩擦焊实验,并对接头的组织和力学性能进行了分析。
1实验方法焊接试验用材料为8 mm厚的7075-T7451铝合金,搅拌头材料采用H13热作模具钢。
化学腐蚀液为15mlHCl+1mlHF+2.5mlHNO3+95mlH2O;在显微镜OptelicsTMS130下观察焊合区的组织特征;在CSS-44100电子万能试验机上进行拉伸试验;在HX-1000显微硬度计上进行硬度测量。
2实验结果及分析2.1焊接接头的微观组织形貌从图1所示焊接接头横断面的宏观形貌可以看出,接头明显存在四个区域,即中心的焊核区(A区)、焊缝两侧的热机影响区(B区)、热影响区(C区)2524-T3铝合金是目前综合性能较好的飞机蒙皮用铝合金,已广泛应用于B777和A380等新一代民航飞机。
进入21世纪以来，欧美航空制造业就掀起了搅拌摩擦焊飞机结构制造技术研究和应用推广热潮。
美国Lockheed Martin公司和波音公司在C-130J、C-17大型军用运输机货舱地板制造中，率先采用了挤压型材搅拌摩擦焊连接方案。
2009年7月，国内两大飞机制造厂委托我公司进行XX飞机物理样机斜台地板组件及货舱地板组件的搅拌摩擦焊生产制造。
XX飞机是目前我国航空发展史上规模最大、技术难度最高、协作面最广的一项复杂系统工程。
自2007年下半年起，北京赛福斯特技术有限公司便开始致力于该飞机机身蒙皮和地板材料的搅拌摩擦焊技术研究。
科研人员进行了系统的搅拌头设计与工艺开发，开展了多种厚度规格材料的搅拌摩擦焊工艺试验参数优化，经过刻苦攻关与不懈的努力，接连取得突破，成功地实现了1.6mm厚2024-T3、2524-T3 铝合金，3.0mm、3.5mm、4.0mm厚7050-T7451铝合金板材的高质量搅拌摩擦焊对接，接头拉伸强度达到母材强度的90%、接头疲劳性能达到与母材相当的水平。
旋转摩擦挤压7075铝合金组织及第二相形貌
旋转摩擦挤压7075铝合金组织及第二相形貌邢丽;朱杜桥;徐卫平;柯黎明【摘要】采用旋转摩擦挤压法(RFE)加工T6态7075铝合金,对挤压后的7075铝合金进行热处理,观察了7075铝合金的显微组织和第二相变化,测试了加工后材料的显微硬度.结果表明,RFE态的7075铝合金为未完全再结晶的细小等轴晶,平均晶粒尺寸约为15μm.经热处理后,铝合金中未发生再结晶的晶粒继续完成再结晶,晶粒尺寸进一步细化均匀,约为8μm.RFE加工使7075铝合金中保留的初生金属间化合物尺寸变小,原沉淀析出的第二相(MgZn2相)在RFE加工过程中大部分发生重溶,未重溶的MgZn2相发生粗化,经热处理后7075铝合金中析出的MgZn2相尺寸细小,呈弥散分布.RFE态7075铝合金显微硬度低于基材,但经T6热处理后,其硬度为177.5HV,高于基材,7075铝合金中第二相对基体的强化效果较细晶强化作用更显著.%7075-T6 Al alloy with T6 state was processed by Rotational friction extrusion (RFE), and then they were heat treated. The microstructure and second phase of 7075 Al alloy were observed, the hardness was tested. The results show that, 7075 Al alloy after RFE is composed of fine equiaxed grains while they are recrystallized uncompletely, average grain size is about 15 μm. After heat treatment, the recrystall ization behavior is finished in those unrecrystallized grains and grain becomes finer, about 8 μm. The primary intermetallic reserved in 7075 Al alloy becomes smaller after RFE. Most of aging precipitated phase (MgZn2) is re-dissolved, however, some un-dissolved precipitated phase particles become coarser. Many new second phase particles are re-precipitated in the extruded 7075 Al alloy after heat treatment, and they are distributed uniformly. The hardness ofthe as-RFE 7075 Al alloy is lower than that of the as-recieved material, but after T6 heat treatment, the hardness is 177.5HV, higher than that of the as-received material. The strengthening effect of second phase is greater than that of fine-grain in 7075 Al alloy.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2017(027)007【总页数】8页(P1361-1368)【关键词】7075铝合金;旋转摩擦挤压;热处理;显微组织;第二相【作者】邢丽;朱杜桥;徐卫平;柯黎明【作者单位】南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063;南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063;南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063;南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063【正文语种】中文【中图分类】TG1467075铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化铝合金，由于其密度低、强度高、热加工性能和耐腐蚀性能好等优点，使得7075铝合金在航空航天、车辆、建筑桥梁等领域应用广泛[1−3]。
7075_铝合金机加工表面阳极氧化黑线成因分析
0前言7075铝合金是一种高强度铝合金，它由Al、Cu、Mg、Zn及Cr等元素组成。
该合金加工性能良好，可以采用铣削、冲压、拉伸、锻造、焊接等加工工艺。
该合金材料被广泛应用于航空航天、汽车、电子、机械等领域[1-3]。
阳极氧化是一种电化学反应，它的基本原理是金属表面的氧化过程。
在阳极氧化过程中，金属表面受到电解质的作用，氧化物在金属表面形成一层薄膜，这层薄膜可以保护金属表面不受空气中的氧化剂的侵蚀[4]。
阳极氧化技术可以有效改善金属表面的耐腐蚀性和耐磨性，以提高金属的使用寿命[5]。
然而，阳极氧化技术也存在一些缺点，如处理后的金属表面易出现粗糙、黑线、划伤、毛刺等缺陷，耐腐蚀性和耐磨性可能不够等，因此对铝合金阳极氧化性能的研究极为重要[5]。
有研究表明，6×××系和7×××系铝合金近表面存在连续、链式分布的第二相（含Fe相、含Si、Mn夹杂物颗粒），易形成耐腐蚀差异区，导致第二相周围的Al 优先溶解，在基体上出现沿第二相分布的线性凹坑，形成肉眼可见的黑线条纹缺陷[6-8]。
铝合金在后续加工中产生的划伤、油污等表面缺陷也会在阳极氧化过程中产生黑线[7]。
通过控制熔铸过程中Fe元素、硅剂添加量，加强精炼、过滤、除杂手段的控制，保障铝熔体质量和均质效果可有效减少黑线出现的概率[9-10]。
李飞庆[8]等通过增大铸锭氧化皮切削厚度，优化模具设计增加挤压过程的死区，来减少第二相偏聚和挤压过程中表面受到的擦伤，提高型材的表面质量，进而提升阳极氧化的表面光洁度。
丁小理[11]等发现阳极氧化过程中挤压型材表面的凸起毛刺脱落容易产生黑斑，而未脱落的毛刺还容易产生白线缺陷。
本文分析的零件用于飞机航空座椅，由7075铝合金挤压扁排经机加工和表面阳极氧化制成。
由于大批零件氧化表面存在黑线，无法正常装机使用，造成了非常大的经济损失。
本文通过对7075铝合金零件机加工表面氧化黑线区域和正常区域的显微组织进行对比分析，查明氧化黑线出现的原因，同时提出减轻氧化黑线问题的工艺改进方案。
7075铝合金搅拌摩擦焊模拟与实验研究
ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｓｉｄｅ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒꎬ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒꎬ ａｎｄ ｔｈｅ
１ ３ 材料模型
本文将工件视为不可压缩的非牛顿流体ꎬ且
流体运动状态为层流. 其黏度表达式为 [１２]
东北大学学报( 自然科学版)
３４２
１
η＝
ｌｎ
３
εα
{[
Ｚ( Ｔꎬ
ε)
Ａ
１
ｎ
２
Ｚ( Ｔꎬ
ε) ö÷ ｎ
＋ １ ＋ æç
Ａ
è
ø
] [
１
２
] }.
第 ４２ 卷
２ １ 焊接温度场模拟
触的工件表面温度最高ꎬ随着与工件上表面距离
总步数为 １ ０００ 步.
变小ꎬ温度下降ꎻ而在轴肩接触范围外ꎬ厚度方向
度 ) ꎬ ８００ ｒ / ｍｉｎ － ６０ ｍｍ / ｍｉｎꎬ ６００ ｒ / ｍｉｎ －
产生塑性变形与热量的主要因素ꎬ因此与轴肩接
参数下进行模拟与实验ꎬ计算时间步长为 ０ ０４ ｓꎬ
第４２ 卷 第３ 期
２０２１ 年 ３ 月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ)
Ｖｏ ｌ. ４２ꎬＮｏ. ３
Ｍａｒ. ２ ０ ２ １
ｄｏｉ: １０. １２０６８ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ３０２６. ２０２１. ０３. ００６
搅拌摩擦连接7075铝合金接头组织及力学性能分析
（a）7075 母材
（b）焊核区
图 1 拉伸试样
2 实验结果及分析
接头连接区成形表面如图 2 所示，在不同工艺 参数下，获得表面成形质量良好，无明显飞边，减薄 量较小的 FSJ 连接区。图 3(a)为 7075 母材金相组 织，因轧制工艺晶粒沿轧制方向呈扁平带状，晶粒 尺寸不均匀。T6 态 7075 铝合金在固溶时效后，铝基 体弥散分布着棒状或板片状的 Mg2Si 析出增强相。 接头焊核区金相组织如图 3(b)所示，晶粒明显细化 呈等轴晶体。主要原因是轴肩作用下，较高的热输 入使得搅拌区晶粒动态再结晶，同时搅拌头前进速 度较高降低了焊核区材料打碎循环重组周期，使得 晶粒细化较为显著。热机影响过渡区如图 3(c)所 示，由图 3(c)中标示的焊核边缘区 W、热影响区 H 和 热机影响区 T 组成，图 3(c)中标示 1 区域和标示 2 区 域 为 热 机 影 响 区 ，两 区 域 晶 粒 发 生 明 显 的 拉 长 变
头拉伸失效机理，优化工艺参数获得力学性能优良 的接头。
1实验
1.1 试样制备
板材选用 100×100×10mm 的热轧制 7075-T6 铝 合金板材，连接面进行砂纸打磨去除氧化层，并用 丙酮和酒精清洗，封存备用。采用北京赛福斯特技 术有限公司研发的 FSW-LM-A10 型搅拌摩擦连接 设备，搅拌针轴肩直径为 24mm，下压量为 0.1mm，主 轴倾角为 0.5°，具体工艺参数见表 1。
借助线切割以接头焊核区为中心，制备 30×10× 10mm 金相试样，先用 320#-1400#砂纸依次打磨，再 用 W0.05 抛光液和抛光膏抛光，然后用超声波酒精 清洗吹干，在未腐蚀前先通过 SEM 能谱点面扫描方 式检测组织成分，再用 Keller 试剂晶界侵蚀，腐蚀时 间约 25s，在 MDS400 光学显微镜下观察接头各区域 晶粒特征。 1.3 拉伸实验
搅拌摩擦焊接质量控制
搅拌摩擦焊焊接质量控制摘要：搅拌摩擦焊接技术是针对焊接性差的铝、镁合金而开发出的一种新型固相连接技术，由英国焊接研究所于1991年开发的专利技术。
可以有效地避免氧化和蒸发,焊后冷却过程中不出现热裂纹，焊缝区晶粒得到细化，优化了接头各项性能，同时焊接过程不需要填充金属，不产生火花、飞溅、烟雾、弧光等，是一种高效、优质、简单、无污染的焊接工艺。
介绍了搅拌摩擦焊接的原理、焊接工艺特点、搅拌摩擦焊的最新发展情况及其应用。
利用搅拌摩擦焊焊接方法对7075铝合金进行焊接实验，在焊接参数为：转速—-800r/min、焊接速度75mm/min的情况下得到了良好的组织结构，显微硬度的实验表明焊后其维氏硬度值的分布趋势沿焊缝中心基本对称。
关键词：搅拌摩擦焊接；7075铝合金；焊接参数；焊接质量控制Research on friction stir weldingA bstract：Friction stir welding (FSW）is a new solid welding technique for aluminum and magnesium alloys invented and patented by The Welding Institute, UK in 1991，which can avoid the problems existing in the other welding methods。
It is an efficient, energy saving, simple and environmental—friendly technique，which can efficiently avoid oxidation and evaporation without heat flaw in the cooling process after welding。
FSW can get optimized various performance of joint without any sparkle, plash，smog or arc. No filling metal is needed in the welding process. This paper simply introduce the principles，the process, emphasize introduces recent development an application of the friction stir welding. Using friction stir welding method of 7075 aluminum alloy welding experiment, the welding parameters for welding speed: speed -—800r/min, 75mm/min cases got good organization structure, microhardness tests indicate that after welding the Vivtorinox hardness distribution trend along the seam center symmetry。
熔铸-原位合成TiC7075复合材料的摩擦磨损性能
2.2 材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能
2.2.1 颗粒含量对TiC/7075复合材料摩擦磨损性能的影响 图3为7075铝合金及不同颗粒含量的TiC/7075复合材料在恒定的载荷(20N)、摩擦时间 (10min)及滑动速度(0.3m/s)下的磨痕形貌图。从图中可以看出，与基体合金相比，TiC/7075 复合材料具有较小的磨痕宽度，且磨痕宽度随着TiC含量的增加而减小。不同颗粒含量的样 品在相同条件下的磨痕宽度以及利用公式（1）计算出的磨损体积等数据见表2所示。
摘 要：本文采用熔铸-原位合成法制备了 3-8%TiC/7075 复合材料（质量百分数，下同）， 并对其摩擦磨损性能进行了研究。结果表明，TiC 颗粒的形成具有细化晶粒的作用，对基体 的硬度和耐磨性有很大的改善作用。 随着 TiC 颗粒含量的增加， 复合材料的体积磨损率减少 （耐磨性提高）。在低载荷下（10N），熔铸-原位合成 8%TiC/7075 复合材料的耐磨性优于 7075 铝合金。然而，在高载荷下（40N），8%TiC/7075 复合材料的耐磨性却低于 7075 铝合 金， 表明附加载荷对颗粒增强金属基复合材料的耐磨性有很大的影响。 研究表明， 固定载荷， 增 加 滑动 速度 ， 7075 铝 合 金 和 8%TiC/7075 复 合 材料 的耐 磨 性均 呈下 降 的趋 势， 但 8%TiC/7075 复合材料的耐磨性下降幅度低于 7075 铝合金。 关键词： 关键词：原位合成，TiC/7075 复合材料，硬度，摩擦磨损 中图分类号： 中图分类号：TG302.3
(a)
(b)
(c)
(d)
图 1 7075 铝合金和不同颗粒含量 TiC/7075 复合材料的 SEM 形貌
-2-
（a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075 Fig.1 SEM images of 7075 alloy and TiC/7075 composites with different TiC contents （a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075
7075铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟研究
学校代码：10406分类号：TG456 学号：************南昌航空大学硕士学位论文(硕士研究生)7075铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟研究硕士研究生：李成重导师：张坚郭正华申请学位级别：硕士学科、专业：机械工程所在单位：航空制造工程学院答辩日期：2011年12月授予学位单位：南昌航空大学Numerical Simulation Research on Friction Stir Welding of 7075 Aluminum AlloyA DissertationSubmitted for the Degree of MasterOn mechanical Engineeringby Li ChengzhongUnder the Supervision ofProf. ZhangJian and Guo ZhenghuaSchool of Aeronautical Manufacturing EngineeringNanchang Hangkong University, Nanchang, ChinaDecember, 2011, 12, 16摘要搅拌摩擦焊获得的焊缝接头具有变形小、强度高等特点，故其能在航空航天、船舶及汽车等制造工业中得到广泛应用。
然而，搅拌摩擦焊接是一个多因素交互作用下的高度非线性的复杂塑性成形过程，如何明晰其过程中温度场、材料流动等变化规律，以及焊接参数对焊缝材料温度及迁移的作用机理，已成为亟待解决的关键基础问题。
为此，本文主要采用有限元模拟并结合理论分析，对上述问题进行系统深入的研究，对于搅拌摩擦焊接理论扩充及实践指导有着重要的意义。
基于ABAQUS软件，建立了锥面带倾角的搅拌头的搅拌摩擦焊接过程热力耦合三维有限元模型，并验证模型可靠。
发现等效塑性应变与材料流动速度的最大值均位于工件上表面与轴肩边缘接触处，并且随着焊接过程的进行而基本保持不变。
等效塑性应变区主要位于搅拌头后方，而材料流动则主要分布在搅拌头周围，并且区域较狭窄。
7075铝合金搅拌摩擦焊接头断裂机理
第3 8卷第11期焊接学报V938No.11 $ 01 7 年 11 月TRANSACTIONS OF THE CHINA3ELDINGINSTITUTI0N November20177075铝合金搅拌摩擦焊接头断裂机理1 >2 ,朱浩U，姜月U，刘家伦王军3(1.河北省交通工程材料重点实验室，石家庄050043; 2.石家庄铁道大学材料科学与工程学院，石家庄050043;3.河北科技大学材料科学与工程学院，石家庄050018)摘要：使用MTS拉伸试验机和扫描电镜加载台分别对7075铝合金FS3接头进行拉伸卸载和原位拉伸试验，并 助Olympus金相 镜对卸载后接头损 进 ，使用有限元 ABAQUS对接头在拉伸过程中的应力状态进行分析.结果表明，7075铝合金F S3接头在拉伸过程中微裂纹分别在前进侧热影响区（HAZ)与热力影响 区（TMAZ)交界处和焊核区（3NZ)底部形核，最终前进侧HAZ与TMAZ交界处裂纹发展成主裂纹，主裂纹沿HAZ 与TMAZ交界扩展导致接 裂.原 伸试验接 在该 发生断裂.该 向应力度较高、显微硬度较低、过渡组 及 相M g Zn$向布而成7075铝合金FS3接头的最薄弱 .关键词！ 7075铝合金；焊；断裂机理；有限元 ；相中图分类号：TG457.14 文献标识码：A doi:10.12073/j.h jx b.201601050050序言Al-Zn-Mg-Cu铝合金7075具 的塑性、较的度、比刚度，被 应用 空 ：及载 具 .进行熔化焊接 产生气孔、热裂纹及HAZ软化等问题%1].焊(friction stir welding，FSW)是英国焊接研究所（the welding institute)于1991年发明的一种固相连接技 术，是铝合金最具 的焊接技术之一[2].年来，国学者对FSW展了大量 ，中在FSW接头形成机理[3]、度应和流场的数模拟%4_5]、焊接 参数%6]、组和力学性[7-9]、及接头中析出相[10-11]几方面.然而，目对铝合金FSW接头变形、损 的研究较少，而该 对 化FSW焊接 、提接头学 及保证焊接 的安全性、可靠性具有极其重要的意义.因此，选用高速列 体用厚度6mm的7075铝合金 进行FSW对接试验，并对接头进 伸卸载试验及原 伸试验，借助金相 镜、体视 镜和扫描电镜对接头损伤行为进 、，而找出7075铝合金FSW接头的薄弱 .1试验方法试验材料是厚度为6mm的7075筒强铝合金平收稿日期：2016-01-05基金项目：河北省自然科学基金资助项目（2016210050); 2015河北 省生创新资助项目（2015010)板(供货状态:T6)，其化学成分见表1.焊件尺寸为 300 mmx150 mm，采用平板对焊的焊接方式.搅拌 针根部直径为5.92 mm、端直径3.48 mm、长度为 5.54 mm，轴肩直径为15 mm.利用MTS810-23型液 压伺服试验机和KYKY2800B型扫描电子显微镜自 加载台分别进 伸卸载试验和原 伸试验.卸载后的试 金相试样.原 伸试样损用 加 载 用 扫描电 镜 进 ，原伸试 图1所示.拉伸卸载及原 伸表17075铝合金化学成分（质量分数，％ ) Table 1Chemical composition of 7075 aluminum alloyZn Mg Cu Fe Mn Cr Al5.1 ~6.1 2.1 ~2.9 1.2 ~2.00.50.30.18 ~0.28余量78焊接学报第38卷试样用 4 m L HF+ 6mL HC1+ 10 m L冊03 + 190 m LH20进行腐蚀，时间为30 [利用GX51型Olympus显微镜和Stem i 2000-C型体式显微镜对FSW接头的损 进行观察.2接头损伤观察结果与分析2.1拉伸卸载试验伸卸载后FSW接头在厚度方向上的 形图2所示，所示的方向伸方向.由图2可以看出，裂纹 在形核的两 ：WNZ 及前进侧HAZ与TMAZ交 •图2拉伸过后接头微观形貌Fig. 2 Micro-structure of joints after tensileWNZ底部裂纹即为图2中的裂纹1.裂纹1在 拉伸过程中首先形核，这是 针长度 使FSW焊缝产生的弱连接造成[7].|加载荷的增大，与加载成45°方向裂纹1发生扩展；当裂纹扩展至WNZ停止扩展.主要是 WNZ的极其细小，细 化作用 ，止裂 .因此，裂纹1发展成 裂纹.图2中的裂纹2是进侧HAZ与TMAZ交界 裂纹.丨加载荷进一 大，裂纹2在该区产生.裂纹2的产生主要受四方 用的 ：应 ’度、微观组 及 相的分布.2.1.1 应力状态的影响用有限元 出的7075铝合金FSW接头在拉伸过程中的三向应力度分布曲线如图3所示.向应力度/计算见式（1). 向应力度越大，则应力相对较大，在伸过程中试样越发生 裂；，向应力度越小，剪应力相对较大，试越发生塑性变形而发生突然脆[12].HAZ和TMAZ交 的三向应力度发生突变，所以该 在外载 用下产生裂纹2.图3 FSW接头三向应力度分布Fig. 3 Distribution of stress triaxiality of FSW joints&(&1+&2+&3"m3lr=—=— —e槡^[( &1 -&2 "2 +(&2 -&3 "2 +(&3 -&1 "2](1 )式中:，代 应力；&:应力，应力;&1，&2和&3分别表示第一主应力、第二 应 及 应力.2.1.2 显微硬度的影响7075铝合金FSW接头显微硬度分布如图4所 示.从图4可 出，7075铝合金FSW接头的硬度分布极不均匀，大致 对称的+W”形曲线.显微度 出现在HAZ与TMAZ的交 ，并进侧比后退侧低1〜2 HV.故而前进侧H AZ和 TMAZ交 是 接 度 的 ，因而在加载 用 产生裂纹 2.-15-10-50 5 10 15距焊缝中心距离p/mm图4 FSW接头显微硬度分布Fig. 4 Distribution of micro-hardness of FSW joints2.1.3 微观组织的影响7075铝合金FSW接头组织形貌如图5所示.第11期赵熠朋，等:&0&5铝合金搅拌摩擦焊接头断裂机理791 i〇〇m H|jL m(b ) A区局部放大图5 7075铝合金FSW接头组织形貌Fig. 5 Micro-structure of 7075 FSW jointTMAZ中晶粒受到FSW过程中的机械搅拌作用，在 长度方向上被拉长，并发生了一定的取向变化；而 HAZ组织则仍然保持 长 ，但发生一定的粗化.TMAZ与HAZ |组 异，造成了该区域过渡组织的 ，变形 ，因此交接头较薄弱 .前进侧交 的及取向变化 侧更加明显，成 接头的薄弱区.在外加载荷作用下裂纹容易形核和扩展[13].裂纹2沿着HAZ与TMAZ交界处扩展.当裂纹$扩展 3时发生偏转.：是因为了强度较高的析出相，阻碍了裂纹 原来方向继续扩展，而裂纹扩展能量又不足 过析出相，从而一个方向 向前扩展.裂纹扩展一离到达WNZ，由于WNZ止裂性好，裂纹又发生偏转，重新沿着HAZ与TMAZ交 向前扩展.2.1.4 沉淀相分布的影响7075铝合金FSW接头HAZ与TMAZ交界处沉 淀相分布如图A所示.该 组织中出现大量棒MgZn$相，且具 的取向性.在拉伸过程中，种 向分布的棒 相会使接 变图6析出相分布与形貌Fig. 6 Distribution and morphology of precipitated phase 形协调性变差，在外加载荷作用下容易产生微裂纹 形核、扩展，导致接 裂.2.2原位拉伸试验的试验 也发生在原位拉伸试验过程中.原 伸过程中裂纹形貌及扩展过程如图7所示，所的方向伸方向.从图7可以看出，加载至1.724 m m时，在前进侧H A Z与 TMAZ交界处产生裂纹1和裂纹2,如图7s所示. 这是 该 两 交 ，过渡组 ，并 伸方向与其界面垂直，故在加载荷作用下首先产生微裂纹.加载至Z.D D# >>时，裂纹$向前 扩展，与此 ，又产生微裂纹3，如图7b所示.当加载至2.496 mm时，微裂纹3发生扩展，此时微裂 纹1度方向发生一定的扩展，如图7c所示.当加载至2.701 mm时，又产生了裂纹4,裂纹4将裂 纹1和裂纹3连在一块，如图7d所示.当加载至2.83 mm时，产生裂纹5，此裂纹贯穿试样的面，裂纹宽度也有所增加，如图7e所示.当加载至 2.897 mm时，整个试样发生断裂，如图7f所示.从原 伸试验结果可以证实，7075铝合金FSW接头在拉伸过程中，微裂纹形核、扩展也发生 于前进侧HAZ与TMAZ交界处，这与拉伸卸载试验 相吻合.在图7d中，裂纹4 在进侧HAZ 与TMAZ交界处形核，而是稍微向TMAZ偏移了 0.1mm左右，这是 该 裂纹并未在试样表面、而是在试 形核.所述，拉伸卸载试验及原位拉伸试验主裂 纹形核、扩展 进侧HAZ与TMAZ的交 发生，该 过渡 组 的 、度 较 、向应力度较高以及MgZh相的取向分布而成为整个 7075铝合金FSW接头的最薄弱环节.80焊接学报第38卷(d ) 2.701)1.724(b ) 2.441(e ) 2.83i⑴ 2.897 i图7原位拉伸结果Fig. 7 Result of in situ tensile test3结论(1) 7075铝合金FSW 接头在拉伸过程中，在试样的厚度与宽度方向上，微裂纹 生进侧HAZ 与TMAZ 交界处.裂纹形核与扩展受到交界处的应’度、组织及相分布的.(2) 7075铝合金FSW 焊接接头在拉伸过程中，试中应布，三向应力度在WNZ 和TMAZ 交界处与TMAZ 和HAZ 交界处存在 突变，从而加速裂纹形核与扩展，导致试裂.(3)前进侧H AZ 与TMAZ 的交界处是整个FSW 接头的最薄弱环节.参考文献：[1]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M ].北京：机械工业出版社2007.[2]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]张成聪，常保华，陶军，等.2024铝合金搅拌摩擦焊过程组织演化分析[J ].焊接学报，2013, 34(3): 57 -60.Zhang Chengcong，Chang Baohua，Tao Jun ，et al. Microstructure evolution during friction stir welding of 2024 aluminum Sloy [J ]. Transactions of the China Welding Institution ，2013，34 (3): 57 -60.[4]周明智，雷党刚，梁宁，等.搅拌摩擦焊三维粘塑性热力耦合有限元数值模拟[J ].焊接学报，2010, 31 (2): 5 -9.Zhou Mingzhi，Lei Danggang ， Liang Ning ， et al. 3D coupled第11期赵熠朋，等:7075铝合金搅拌摩擦焊接头断裂机理81thermo-mechanical visco-plastic finite element simulation of friction stir welding process % J & •Transactions of the China WeldingInstitution, 2010，31(2): 5 -9.% 5 &Zhang Peng，Guo Ning，Chen Gang，et al.Plastic deformation behavior of the friction stir welded AA2024 aluminum alloy% J&.Int J Adv Manuf Technol，2014(29) ：1-7.%6&严铿，刘俊，史超•喷射成形7〇55铝合金F SW焊工 艺与性能％J&•焊接学报，2012, 33(6):51 -54.Yan Keng，Liu Jun，Shi Chao. Study on process and property ofFSW of spray formed 7055 aluminum alloy % J & •Transactions ofthe China Welding Institution，2012，33(6):51 -54.%7&李继忠，孙占国，高崇，等.根部未焊透对搅拌摩擦焊接 接头力学性能的影响％J&•电焊机，2014, 44(4":18 -22.Li Jizhong，Sun Zhanguo，Gao Chong，et a)Influence the lackof penetration on the mechanical properties of friction stir weldedjoints%J&. Electric Welding Machine，2014，44(4):18 -22.%8&崔少朋，朱浩，郭柱，等.7075铝合金搅拌摩擦焊接头 变形及失效行为％J&•焊接学报，2016, 37(6):27 -30.Cui Shaopeng，Zhu Hao，Guo Zhu，et a)Deformation and failure behavior of friction stir weld joint of 7075 aluminum alloy% J&. Transactions of the China Welding Institution，2016，37(6):27 -30.%9&Lee K，Kwon E. Microstructure of stir rone in dissimilar friction stir welds of AA6061-T6 and AZ31 alloy sheets% J& •Transactionsof Nonferrous Metals Society of China，2014(24) : 2374 -2379. % 10 &Srinivasa R T，Madhusudhan R G，Koteswara S ).Microstruc-ture and mechanical properties of friction stir welded AA7075-T651 aluminum aioy thick plates% J&. Transactions of NonferrousMetals Society of China，2015(25) : 1770 - 1778.% 11 &Bayazid M S，Farhangi H，Asgharzadeh H，e a) Effect of cyclic solution treatment on microstructure and mechanical properties offriction stir welded 7075 Al alloy% J&. Materials Science & Engineering A，2016(649) : 293 -300.% 12&朱浩，郭柱，崔少朋，等.焊缝强度匹配对铝合金焊接 接头三向应力度分布的影响％J&•焊接学报，2014, 35(11):84 -88.Zhu Hao，Guo Zhu，Cui Shaopeng，et a)Influence of weldstrengthmatchondistributionofstresstriaxialityforaluminumal-loy welded joint% J& •Transactions of the China Wel(Jing Institia-tion，2014, 35(11):84 -88.% 13 &董继红，董春林，孟强，等.铝合金浮动式双轴肩FSW接 头组织性能分析％J&•焊接学报，2013, 34(10):43 -46.Dong Jihong，Dong Chunlin，Meng Qiang，et a)Microstructureand mechanical properties of floating bobbin friction stir weldedjoints in aluminum alloy% J&•Transactions of the China WeldingInstitution，2013，34(10):43 -46.作者简介：赵熠朋，男，1992年出生，硕士研究生.主要从事先进 材料连接及有限元模拟等方面的工作.已发表论文7篇.E m a l: 1521207904@qq. com通讯作者：朱浩，男，博士，教授.Email: zhuhao@stdu. edu[上接第50页]%10&胡绳荪，庹宇鲲，申俊琦，等.基于B样条空间等距线的机 器人轨迹优化算法％ J&•天津大学学报，2015，48 (8):723 -727.Hu Shengsun，Tuo Yukun，Shen Junqi，et a) Robot trajectoryoptimization algorithm based on spatial offset B-Spline% J& •Journal of Tianjin University，2015，48(8): 723 -727.作者简介：刘杰，男，1993年出生，硕士研究生.主要从事焊接领域自动化方面的研究•Email: liu j+ievc@通讯作者：申俊琦，男，博士，讲师•Email: shenj+unqi@tj+u. 。