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超声喷丸强化搅拌摩擦焊接接头性能 P r o p e r t i e so fF r i c t i o nS t i rW e l d i n gJ o i n tb yU l t r a s o n i cS h o tP e e n i n g 北京航空制造工程研究所张新华曾元松 天津大学材料科学与工程学院王东坡 【摘要】采用超声喷丸焊后处理工艺分别对7 0 7 5 一 T 6 5 1 铝合金母材及搅拌摩擦焊焊接接头进行了处理， 并与其原始状态进行了疲劳对比试验。对比疲劳性能 试验结果证明该处理技术可用于提高7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合 金母材及搅拌摩擦焊焊接焊接接头试件的疲劳性能。 关键词：超声喷丸7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金搅拌摩擦 焊焊接接头疲劳性能 I A B S T R A C T 】T h ep r o c e s s i n go fh a r d e n i n ge l - f e c t i v e n e s sb yu l t r a s o n i cs h o tp e e n i n gi su s e dt od e a lw i t h b a s em e t a l so f7 0 7 5 - T 6 51a l u m i n u ma l l o ya n dj o i n to f f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，a n di st h e nc o m p a r e dw i t hi t so r i g i n a l c o n d i t i o ni nf a t i g u ec o m p a r a t i v et e s t T h er e s u l to ft h et e s t o ff a t i g u ep r o p e r t ys h o w st h a tu l t r a s o n i cs h o tp e e n i n gi s a v a i l a b l ef o ri m p r o v i n gt h ef a t i g u ep r o p e r t yo f b a s em e t a l s o f7 0 7 5 一T 6 51a l u m i n u ma l l o ya n ds p e c i m e no ff r i c t i o ns t i r w e l d i n gj o i n t K e y w o r d s ：U l t r a s o n i cs h o tp e e n i n g 7 0 7 5 - T 6 5 1 a l u m i n u ma l l o yJ o i n to ff r i c t i o ns t i rw e l d i n gF a t i g u e p r o p e r t y 7 0 7 5 一T 6 5 1 是A l Z n M g C u 系超硬铝，具有高的比 强度和比刚度、较好的耐腐蚀性和较高的韧性等优点， 是航空、航天、兵器、交通运输等行业最重要的结构材料 之一。该材料常用于飞机结构件及其他要求强度高的 高应力结构件中，充分展示了其在航空航天工业广阔的 应用前景 1 - 3 。 搅拌摩擦焊( F S W ) H 是英国焊接研究所针对焊接性 差的铝合金发明的一种固相连接新工艺，具有连接温度 低、焊后残余应力小、接头性能高等一系列优点蹲】。近年 来，航天、军工和汽车等行业对熔焊性差的高强铝合金 等特殊材料的需求量不断增加，推动了搅拌摩擦焊接技 术的发展。 超声喷丸( U S S P ) 是一种较新的材料表面改性方法。 其与普通喷丸的主要区别在于弹丸是从各方向以超声 频撞击已被固定的材料表面的。由于其引人材料内部 的能变较大，常用于实现材料表面纳米化，降低氮化温 度等用途。该方法具有实施方便、效果显著、适应面广、 消耗低等多种优势，在飞机、坦克、汽车和各种机械设 备的齿轮、轴承、焊接件、弹簧、涡轮盘、叶片及模具、切 削工具等的表面清理和提高使用寿命与防腐能力方面 发挥了重要的作用，取得了令人满意的效果1 0 】。本课 题将超声喷丸方法应用于7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金母材及搅 拌摩擦焊焊接接头，着重研究超声喷丸技术对于7 0 7 5 一 T 6 5 1 铝合金疲劳性能的影响。 l 试验材料及方法 1 1 试验材料 试验用7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金化学成分及机械性能指 标见表l 、2 ，母材及搅拌摩擦焊试验件由中国搅拌摩擦 焊中心提供，接头疲劳试件尺寸如图l 、2 所示。 表17 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金化学成分 w 表27 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金机械性能参数 图1母材疲劳试件几何形状与尺寸 F i g 1 G e o m e t r i cf o r ma n dd e m i s s i o no f t h eb a s e m e t a lf a t i g u es p e c i m e n 2 0 1 0 年第1 期航空制造技术8 7 万方数据 图2 搅拌摩擦焊接头疲劳试件几何形状与尺寸 F i g 2 G e o m e t r i cf o r ma n dd e m i s s i o no ff r i c t i o ns t i r w e l d i n gj o i n to ff a t i g u es p e c i m e n 1 2 超声喷丸处理工艺 采用超声喷丸机对7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金试件进行处 理，加工参数如表3 所示。 表37 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金超声喷丸强化参数 疲劳试验在2 0 0 k N 高频疲劳试验机上进行，试验机 静载精度满量程为土0 5 ，动载振幅波动度满量程为 l 。施加载荷情况：载荷类型均为拉伸载荷，采用的 应力比为R = 0 1 。 2 试验结果与讨论 2 1 疲劳试验数据的统计方法 根据国际焊接学会( I I W ) 的有关文件“一1 ，采用如下 统计方法对各种焊接接头的相应疲劳试验数据进行处 理，该统计处理方法的特点如下： 假设疲劳试验结果符合对数正态分布，用具有相 表47 0 7 5 一T 6 5 1 超声喷丸前后母材试件 疲劳试验结果( R = 0 1 ) 8 8 航空制造技术2 0 1 0 年第1 期 同斜率m ，且分别对应K 倍正负标准差的两条标称洲 曲线形成数据分散带。使试验数据在某一置信度下以 一定概率落在此分散带内。其中K 为与试验数据数量 落在分散带内概率及相应置信度密切相关的一个参量， 称之为特征值。I I W 指定存活概率为9 5 ，置信度为 7 5 。标称值可通过下述程序计算出： ( 1 ) 计算所有疲劳试验数据点的应力范围舾、循环 次数以1 0 为底的对数值。 ( 2 ) 采用幂函数模型回归计算指数m 和常数l o g C 值： m l o g A t r + l o g N = l o g C 。 ( 1 ) ( 3 ) 设G 是试验数据的对数值，利用所获得的m 值， 计算l o g C 的平均值G 和标准偏差s t d v ： G ：监，( 2 ) n J t d v ：型掣。 ( 3 ) ￥n l ( 4 ) 计算特征值G ： G = c 坍一K s t d v 。 ( 4 ) 2 2 疲劳试验结果及分析 7 0 7 5 一T 6 5l 母材的疲劳试验结果列于表4 中。其中， A 组为原始母材，B 组为经超声喷丸处理的母材试样。 7 0 7 5 - T 6 5 1 搅拌摩擦焊接头原始焊态试件的疲劳试验结 果见表5 。超声喷丸接头试件的疲劳试验结果见表6 。 根据对比疲劳试验结果( 表4 6 ) ，按方程_ C 分 别拟合出超声喷丸处理前后母材及搅拌摩擦焊焊接接 头试件的相应& 曲线，绘于图3 ，拟合结果列于表7 中。按疲劳强度的常规测试方法确定了超声喷丸处理 前后母材以及搅拌摩擦焊试件在循环周次为2 1 0 6 时 表57 0 7 5 一T 6 5 1 搅拌摩擦焊焊接接头原始焊态 试件疲劳试验结果识= 0 1 ) 万方数据 的疲劳强度值，结果列于表8 。 从表4 - 6 及图3 可知：应力比R = 0 1 条件下，7 0 7 5 一 T 6 5 1 铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳强度较母材本 身有所降低，经超声喷丸处理后其疲劳性能基本与母材 表67 0 7 5 一T 6 5 1 搅拌摩擦焊焊接接头超声 喷丸试件疲劳试验结果( R = 0 1 ) 循环周次N c y c l e 图37 0 7 5 一T 6 51 铝合金母材及搅拌摩擦焊 焊接接头对比岛曲线( R = 0 1 ) F i g 3C o m p a r a t i v ec u r v es No f b a s e m e t a lo f7 0 7 5 - T 6 51a l u m i n u ma l l o ya n df r i c t i o n s t i rw e l d i n gj o i n t ( R = 0 1 ) 表7 拟合J V 曲线参数表 袁8 疲劳强度结果时比 表9 疲劳寿命结果对比 2 0 1 0 年第1 期航空制造技术8 9 万方数据 相当。 对比图3 中相应洲曲线及表8 中超声喷丸处 理试件与原始状态试件在循环寿命为2 1 0 6 条件下获 得的疲劳强度值。结果表明：在应力比R = 0 1 条件下， 7 0 7 5 一T 6 51 铝合金超声喷丸母材与原始母材相比疲劳强 度提高了5 0 6 ；7 0 7 5 一T 6 51 铝合金搅拌摩擦焊焊接接 头超声喷丸试件与原始焊态相比疲劳强度的改善程度 高达9 0 9 左右。 为了获得在相同应力水平下超声喷丸处理前后试 件的疲劳寿命的变化情况，将超声喷丸处理7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金母材及搅拌摩擦焊焊接接头试件在寿命为1 0 7 次 时所对应应力范围下原始状态试件的疲劳寿命以及原 始状态试件在寿命为1 0 5 次所对应应力范围下的超声 喷丸处理试件的疲劳寿命列于表中9 。对比表9 中相应 数据，粗略估计在应力比R - - O 1 条件下，7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合 金母材经过超声喷丸处理后，其疲劳寿命延长为原来的 1 2 倍；搅拌摩擦焊焊接接头经过超声喷丸处理后，疲劳 寿命延长为原来的3 7 倍。 试验证明可以利用超声喷丸处理技术提高铝合金 母材及搅拌摩擦焊焊接接头试件的疲劳性能。分析其 原因有如下几点： ( 1 ) 超声喷丸处理在材料的表面形成了性能优异的 强化层，该强化层能够有效阻止疲劳裂纹在材料表面的 形成； ( 2 ) 超声喷丸处理有助于消除材料表层可能存在的 各种缺陷，钝化次表层存在的缺陷，这些缺陷即为小裂 纹或是裂纹形成的核心； ( 3 ) 超声喷丸处理可以消除材料加工成型过程中引 入的对疲劳性能有害的拉应力，并引入有利于提高疲劳 性能的压应力层。 3 结论 ( 1 ) 应力比R = O 1 条件下，7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金搅拌摩 擦焊焊接接头的疲劳强度较母材本身有所降低，经超声 喷丸处理后其疲劳性能与母材相当。 ( 2 ) 在应力比R = 0 1 加载条件下，7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金 超声喷丸母材与原始母材相比疲劳强度提高了5 0 6 ， 寿命延长为原来的1 2 倍；超声喷丸处理使7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合金搅拌摩擦焊焊接接头疲劳强度提高约9 0 9 ，寿 命延长3 7 倍。 ( 3 ) 超声喷丸处理技术可显著提高7 0 7 5 一T 6 5 1 铝合 金母材及搅拌摩擦焊焊接接头试件的疲劳性能，可应用 该技术改善搅拌摩擦焊接接头的疲劳性能。 9 0 航宅制造技术2 0 1 0 年第1 期 参考文献 【l 】M a d d o