2219鋁合金TIG和FSW接頭力學及疲勞性能

楊子涵，劉德博，楊思愚，韓永典,3

2219鋁合金TIG和FSW接頭力學及疲勞性能

楊子涵1，劉德博1，楊思愚2，韓永典2,3

（1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.天津大學 材料科學與工程學院，天津 300350；3.天津市現代連接技術重點實驗室，天津 300350）

研究鎢極氬弧焊（TIG）和攪拌摩擦焊（FSW）對2219鋁合金（母材）力學及疲勞性能的影響。通過拉伸試驗，得到了母材、TIG和FSW接頭的抗拉強度和伸長率；通過疲勞性能試驗測試了母材、TIG和FSW接頭在不同應力下相應的疲勞壽命，根據疲勞試驗結果繪制了其試樣的曲線；使用掃描電子顯微鏡觀察并分析了疲勞斷口的形貌特征。未焊接的鋁合金母材抗拉強度和伸長率最高，分別為506 MPa和15.92%；TIG接頭抗拉強度和伸長率分別為330 MPa和7.65%，FSW接頭抗拉強度和伸長率分別為310 MPa和8.74%。母材、TIG和FSW接頭等3種疲勞試樣在2×106次循環下的疲勞強度分別為129、108、115 MPa，其疲勞斷口均可分為裂紋源區、裂紋擴展區和瞬間斷裂區，疲勞裂紋分別起始于試樣表面的局部變形區、第二相夾雜物和“吻接”缺陷。疲勞裂紋擴展區的主要形貌為疲勞輝紋和二次裂紋，瞬間斷裂區以脆性斷裂為主。TIG和FSW等2種焊接工藝均導致了2219鋁合金的強度、塑韌性和疲勞性能降低，其接頭表面的第二相夾雜物和“吻接”缺陷促進了疲勞裂紋的萌生。

2219鋁合金；拉伸性能；疲勞性能；斷口形貌特征；鎢極氬弧焊；攪拌摩擦焊

2219鋁合金是一種具有良好焊接性的高強度鋁合金材料，常用在航空航天等領域[1-3]。在建造鋁合金結構件時，常用焊接將鋁合金連接起來。鎢極氬弧焊（tungsten inert-gas arc welding, TIG）是目前常用的焊接方法之一，工藝成熟、自動化程度高，容易得到綜合性能優良的焊縫，實現高質量的焊接連接[4-6]。Arunkumar等[7]研究了真空鑄造鋁合金TIG接頭的力學性能。TIG接頭的抗拉強度和伸長率分別為237 MPa和8.1%，與母材（base metal, BM）相比，TIG接頭強度和伸長率分別增加了8%和15%。陳澄等[8]改進了5083鋁合金的TIG工藝，在最佳焊接工藝參數下得到的TIG接頭的抗拉強度達到了母材的91.8%，并且具有優良的抗彎曲性能。攪拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）也是一種常用的鋁合金焊接工藝，是一種固相連接，通過攪拌頭的摩擦帶動母材的塑性流動實現鋁合金連接[9-11]。與熔焊工藝相比，FSW熱輸入較低，在焊接過程中鋁合金母材不熔化，得到焊接接頭的強度和塑韌性通常強于熔焊接頭。趙亞東等[12]分析了1060鋁合金FSW和TIG接頭的組織和力學性能，FSW接頭組織晶粒明顯小于TIG接頭，FSW接頭的抗拉強度為TIG接頭的1.5倍。Behrouz等[13]通過拉伸試驗測試了FSW頭和TIG接頭的力學性能，發現FSW接頭的抗拉強度、硬度和韌性均高于TIG接頭。

在鋁合金結構件服役過程中，疲勞破壞是一種不可忽視的失效形式。雖然焊接是一種高質量的鋁合金連接工藝，但焊接接頭往往是鋁合金結構件中疲勞性能最薄弱的位置[14-16]。Hugo等[17]研究了6061鋁合金TIG接頭的疲勞性能，在循環次數為1×107次時，母材的疲勞強度為70 MPa，是TIG接頭疲勞強度的2.3倍。方大鵬等[18]開展了LC4-T4鋁合金FSW接頭的疲勞性能測試試驗，發現在循環次數為2×106次時，FSW接頭的疲勞強度為80 MPa，相較于母材的疲勞強度降低了14%。因此，在鋁合金結構件設計中，必須考慮焊接接頭部分的疲勞性能。通過拉伸試驗得到了2219鋁合金母材、TIG和FSW接頭的抗拉強度、伸長率，分析了2種焊接方法對2219鋁合金力學性能的影響；通過疲勞試驗得到了母材、TIG和FSW接頭的–曲線，并通過觀察疲勞斷口的形貌特征，分析了TIG和FSW對2219鋁合金疲勞性能和疲勞斷裂機制的影響。

1 試驗方法

試驗選用厚度為6 mm的2219鋁合金板，其化學成分Cu、Mn、Si、Fe、Zr、V的質量分數分別為6.48、0.32、0.49、0.23、0.20、0.08，Al為余量。鋁合金板的焊接形式為對接焊接，焊接方法選用TIG和FSW。試驗選用優化后的焊接工藝對鋁合金板進行對接焊接，并采用無損檢測技術檢測了焊接接頭的質量，得到的2種沒有缺陷的焊接接頭見圖1。TIG的焊接工藝參數見表1；FSW的焊接工藝參數轉速、傾角、下壓量、焊接速度分別為600 r/min、2.5°、0.2～ 0.3 mm、200 mm/min。從母材和2種對接焊接板上切取尺寸為40 mm × 15 mm × 6 mm的金相觀察試樣，用砂紙將其表面打磨至3 000目，之后使用拋光機拋光試樣，清洗并干燥后用Keller試劑（190 mL蒸餾水+5 ml HF+2.5 mL HCl+2.5 mL HNO3）腐蝕試樣，腐蝕時間為20 s。采用金相顯微鏡觀察并分析母材、TIG和FSW接頭等3種試樣的金相組織。

圖1 焊接接頭宏觀形貌

表1 TIG焊接工藝參數

Tab.1 TIG welding process parameters

根據標準ASTM E8M–04相關規定制備了拉伸試樣，其尺寸見圖2（單位：mm。下同）。拉伸試驗在DDL300拉伸試驗機上進行。通過試驗結果計算得到試樣的抗拉強度和伸長率。對比母材、TIG和FSW試樣的力學性能，分析不同焊接方法對力學性能的影響。

圖2 拉伸試樣尺寸

根據標準IIW XIII–2460–13/XV–1440–13制備疲勞試樣，沿垂直于焊接方向切取狗骨狀疲勞試樣，其尺寸見圖3。疲勞測試實驗在不同應力水平下進行，使用GPS100高頻疲勞試驗機開展疲勞試驗。所有疲勞試驗在室溫下進行，交變載荷應力比=0.1，載荷波形為正弦波。在每個應力水平下測試3個試樣，并用測試結果的平均值繪制曲線，分析TIG和FSW等2種焊接方法對試樣疲勞性能的影響。

圖3 疲勞試樣尺寸

采用線切割從疲勞試驗斷裂的試樣斷口處切取1 cm長的斷口形貌觀察試樣。用ZEISS Sigma300掃描電鏡觀察疲勞試樣的斷口形貌，分析TIG和FSW等2種焊接方法對試樣疲勞斷裂機制的影響。

2 結果與分析

2.1 金相組織

母材的晶粒形貌見圖4a，其組織晶粒呈板條狀，平均晶粒長度約為150 μm。TIG接頭熔合線附近的焊縫區（weld，WZ）和熱影響區（heat affected zone，HAZ）的微觀組織形貌見圖4b，可見，WZ區域金屬發生重熔再結晶，在重熔過程中靠近熔合線金屬的冷卻速度快[19]，熔合線附近的晶粒尺寸較小，而內部靠近中心的晶粒尺寸較大。熔合線的HAZ組織受到焊接熱影響而長大，平均晶粒尺寸約為200 μm。WZ和HAZ等2區域內的晶粒內部和晶界處均析出了大量的Al2Cu（θ）相顆粒[20]；FSW接頭的焊核區(weld nugget zone，WNZ)、熱力影響區(thermo mechanically affected zone，TMAZ)和HAZ見圖4c。在焊接過程中，WNZ區域內的鋁合金受到攪拌針的劇烈摩擦與擠壓，其晶粒組織經熱循環和塑性變形發生動態再結晶[21-22]，形成了晶粒尺寸約為5 μm的細小等軸晶。攪拌針對鋁合金的攪拌作用隨合金與攪拌針距離的增加而減弱，TMAZ區域內的鋁合金受到的機械作用和熱作用較小，區域內攪拌力只能使晶粒發生變形，同時晶粒受熱長大，不再發生動態再結晶，形成了粗大的彎曲變形晶粒[23]。位于HAZ區域的晶粒不再受到攪拌力的影響，晶粒受到焊接熱循環的影響而長大，晶粒長度約為220 μm。

圖4 金相組織

2.2 拉伸性能

拉伸試驗得到的2219鋁合金試樣應力-應變曲線見圖5。試樣的力學性能見表2，其中，所有數據均為3個試驗測量值的平均值。未焊接鋁合金母材的抗拉強度為506 MPa。在2種焊接接頭中，TIG接頭的抗拉強度最高為330 MPa，表明TIG導致了鋁合金強度下降（34.8%）；FSW接頭表現出最低的抗拉強度（310 MPa），強度比TIG接頭低6.1%、比母材低38.7%。2種焊接接頭的強度均低于鋁合金母材，說明焊接會導致鋁合金強度下降。由表2可知，FSW接頭的伸長率比TIG接頭高出14.2%，TIG與FSW接頭試樣的伸長率相較于母材分別降低了51.9%和45.1%，說明焊接降低了鋁合金的延展性。

圖5 應力?應變曲線

表2 拉伸力學性能

Tab.2 Tensile mechanical properties

2.3 疲勞性能

疲勞試驗得到了母材、TIG和FSW接頭等3種試樣在5個應力水平下的疲勞壽命，每個應力水平開展3次疲勞試驗，以保證試驗結果的合理性。根據標準處理母材、TIG和FSW接頭試樣的疲勞試驗結果，得到?曲線，其表達式為lg=lg?lg Δ（為試樣疲勞失效循環次數，Δ為疲勞試驗應力范圍，lg為–曲線在對數坐標系中的截距，為–曲線在對數坐標系中的斜率）。

利用最小二乘法擬合腐蝕疲勞試驗結果得到的–曲線見圖6，–曲線方程及參數見表3。使用給定循環次數的應力范圍來表示疲勞強度，用來對比承受相同載荷的不同試樣的疲勞強度。參考國際常用鋁合金–曲線設計規范，選擇2×106次循環為參考疲勞壽命，未焊接的2219鋁合金母材、FSW和FSW接頭的疲勞強度分別為129、115、108 MPa，FSW和TIG接頭的疲勞強度分別比母材低了10.9%和16.3%?？梢?，2種焊接工藝都降低了2219鋁合金的疲勞強度。

圖6 S?N曲線

表3?曲線方程

Tab.3 Equation of S-N curves

2.4 疲勞斷口形貌特征

2219鋁合金母材、TIG及FSW接頭等3種試樣的疲勞斷口宏觀形貌見圖7，其疲勞斷口都可以分為裂紋源區、裂紋擴展區和瞬間斷裂區。3種試樣的裂紋源區都靠近試樣表面，母材和TIG接頭的裂紋源區都位于試樣棱角附近，FSW接頭裂紋源區內有一明顯的凹坑。疲勞裂紋在循環應力的作用下不斷長大，當裂紋源區內疲勞裂紋的長度超過裂紋萌生長度時，擴展速度急劇增大，疲勞裂紋快速擴展形成平坦的裂紋擴展區。疲勞裂紋的不斷長大導致試樣有效承載面上的應力不斷增大，最終承載面上的應力超過試樣的抗拉強度，試樣發生瞬間斷裂而破壞。

母材、TIG和FSW接頭等3種試樣的疲勞源區的微觀形貌見圖8。母材試樣的疲勞裂紋起始于試樣表面的滑移條帶。母材疲勞試樣在循環載荷的作用下表面發生局部形變，形變區域晶粒之間的擠壓和滑移產生了滑移帶?；茙У拇嬖谑沟媒饘倩w不連續，在滑移帶周圍產生了應力集中，促進了疲勞裂紋的萌生[24]。TIG接頭試樣的疲勞裂紋起始于靠近試樣表面的第二相夾雜物。在TIG焊接過程中，2219鋁合金的金相組織發生變化，其內部有大量的第二相析出。采用EDS分析疲勞裂紋源區內的第二相夾雜物成分，得到Al與Cu的原子百分比約為69∶31，接近于2∶1。根據Al?Cu二元相圖可知，第二相夾雜物為Al2Cu，這種金屬間化合物硬度高、塑韌性低。在循環應力的加載過程中，由于第二相夾雜物和鋁合金基體組織的塑韌性存在較大差異，導致2種組織在相同應力下的變形程度不同，造成晶粒之間出現微裂紋，促進了疲勞裂紋的萌生。在FSW試樣疲勞源區出現了2條“細線”，這種“細線”是攪拌摩擦焊中的“吻接”缺陷?！拔墙印比毕莸某霈F說明了焊接接頭中出現了弱連接區域，造成該區域周圍出現了應力集中，促進了疲勞裂紋的萌生[25]。

圖7 疲勞斷口宏觀形貌

母材、TIG和FSW接頭等3種試樣的疲勞裂紋擴展區微觀形貌見圖9，其擴展區中都存在著疲勞輝紋和二次裂紋。2219鋁合金母材裂紋擴展區內部的疲勞輝紋分布面積小，二次裂紋短而??；TIG和FSW接頭裂紋擴展區內部的疲勞輝紋分布面積大，二次裂紋長而深，并且TIG接頭裂紋擴展區中出現了第二相夾雜物。疲勞裂紋尖端存在應力集中，在循環應力的持續作用下，裂紋尖端的金屬垂直于裂紋擴展方向被撕裂[26]。在理想狀態的單個晶體內，每次循環會產生1條垂直于裂紋擴展方向的疲勞條紋，隨著疲勞循環次數的增加，系列平行的疲勞條紋構成了疲勞輝紋。但鋁合金內部的組織存在著諸如晶粒曲線、晶界角度等差異，在疲勞裂紋擴展過程中遇到這些差異時，其擴展方向和擴展平面會發生改變，因此，在裂紋擴展區中出現了多種擴展方向和分布高度不同的疲勞輝紋。在裂紋擴展過程中，當疲勞裂紋尖端遇到鋁合金內塑韌性較差的組織時，尖端金屬從塑性變形撕裂轉變為脆性斷裂，產生了垂直于裂紋擴展方向的二次裂紋，這些二次裂紋分布在疲勞輝紋之間。

圖8 疲勞試樣裂紋源區微觀形貌

母材、TIG和FSW接頭等3種試樣疲勞瞬間斷裂區微觀形貌見圖10。在循環應力作用下疲勞裂紋不斷長大，試樣有效承載截面的面積不斷減小，應力持續增大。當應力超過剩余有效承載截面的承載極限時，試樣發生瞬間斷裂。試樣瞬間斷裂的斷裂形式與試樣組織的塑韌性有關。在2219鋁合金母材的瞬間斷裂區內存在著大量冰糖狀顆粒和大而深的二次裂紋，呈脆性斷裂特征，組織塑韌性差；TIG接頭在瞬間斷裂區內存在大量解理臺階和大而深的二次裂紋，呈脆性斷裂特征，組織塑韌性差；FSW接頭在瞬間斷裂區內存在韌窩和冰糖狀顆粒，表明FSW接頭內同時存在著韌性和脆性組織。

圖9 裂紋擴展區微觀形貌

圖10 瞬間斷裂區微觀形貌

3 結論

1）TIG接頭的WZ區金屬在焊接過程中重熔再結晶，晶粒尺寸減??；HAZ區的晶粒受熱長大，晶粒長度約為200 μm。該2區域內晶粒內部和晶界處均析出了大量的Al2Cu(θ)相。FSW接頭的WNZ區金屬受到攪拌頭的攪拌摩擦作用發生動態再結晶，晶粒尺寸顯著減小，約為5 μm；TMAZ區金屬受到的攪拌力和熱循環不再滿足動態再結晶條件，內部晶粒受熱長大和受力變形；HAZ區晶粒只受到焊接熱循環影響，區域內晶粒受熱長大，晶粒長度約為220 μm。

2）2219鋁合金母材、TIG和FSW接頭的抗拉強度分別為506、330、310 MPa。拉伸試驗后測量試樣伸長率，焊接鋁合金母材、TIG和FSW接頭的伸長率分別為15.92%、7.65%、8.74%。焊接降低了鋁合金的強度和延展性。

3）以2×106次循環為參考疲勞壽命，2219鋁合金母材、TIG和FSW接頭的疲勞強度分別為129、115、108 MPa。焊接導致2219鋁合金的疲勞性能降低。

4）母材、TIG及FSW接頭等3種試樣的疲勞斷口都可分為裂紋源區、裂紋擴展區和瞬間斷裂區。母材的疲勞裂紋起始于試樣表面的滑移條帶，TIG接頭的疲勞源起始于靠近試樣表面的第二相夾雜物，FSW接頭的疲勞裂紋起始于靠近試樣表面的“吻接”缺陷。

[1] ABD E A, XU Yong, GUO Xun-zhong, et al. Strengthening Mechanisms, Deformation Behavior, and Anisotropic Mechanical Properties of Al-Li Alloys: A Review[J]. Journal of Advanced Research, 2018, 10: 49-67.

[2] BHATTA L, PESIN A, ZHILYAEV A P, et al. Recent Development of Superplasticity in Aluminum Alloys: A Review[J]. Metals, 2020, 10: 771.

[3] 張震,王鴻斌, 王賀, 等. 汽車車身板用變形鋁合金研究進展[J]. 精密成形工程, 2022, 14(1): 71-78.

ZHANG Zhen, WANG Hong-bin, WANG He, et al. Research Progress of Wrought Aluminum Alloy for Automobile Body Sheet[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(1): 71-78.

[4] LI Hui, ZOU Jia-shan, YAO Jun-shan, et al. The Effect of TIG Welding Techniques on Microstructure, Properties and Porosity of the Welded Joint of 2219 Aluminum Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 727: 531-539.

[5] 姚雨, 湯澤軍, 杜浩,等. 電脈沖對2024鋁合金力學性能的影響[J]. 精密成形工程, 2017, 9(2): 55-57.

YAO Yu, TANG Ze-jun, DU Hao, et al.Influences of Electric Impulse on the Mechanical Properties of 2024 Aluminum Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2017, 9(2): 55-57.

[6] SUN G, NIU J, WANG D, et al. Fatigue Experimental Analysis and Numerical Simulation of FSW Joints for 2219 Al-Cu Alloy[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2015, 38(4): 445-455.

[7] ARUNKUMAR D, SUBBAIAH K. Effect of Continuous and Pulsed Current Tungsten Inert Gas Welding of Cast Al-Mg-Sc Alloy[C]//International Conference on Engineering Materials, Metallurgy and Manufacturing, Chennai, 2019: 653-662.

[8] 陳澄, 薛松柏, 孫乎浩, 等. 5083鋁合金TIG焊接頭組織與性能分析[J]. 焊接學報, 2014, 35(1): 37-40.

CHEN Cheng, XUE Song-bai, SUN Hu-hao, et al.Microstructure and Mechanical Properties of 5083 Aluminum Alloy Joint by TIG welding[J].Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(1): 37-40.

[9] BHARDWAJ N, NARAYANAN R G, DIXIT U S, et al. Recent Developments in Friction Stir Welding and Resulting Industrial Practices[J]. Advances in Materials and Processing Technologies, 2019, 5(3): 461-496.

[10] 毛育青, 江周明, 柯黎明, 等. 鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊縫金屬流動行為研究進展[J]. 精密成形工程, 2018, 10(5): 1-15.

MAO Yu-qing, JIANG Zhou-ming, KE Li-ming, et al. Material Flow Behavior of Friction Stir Welding Aluminum Alloy Thick Plate Joint[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(5): 1-15.

[11] 謝勝楠, 張會杰, 孫舒蕾, 等. 高轉速FSW工藝特征及焊縫組織性能演變規律研究[J]. 精密成形工程, 2020, 12(2): 61-66.

XIE Sheng-nan, ZHANG Hui-je, SUN Shu-lei, et al. Process Characteristics and Weld Structure-property Evolutions of High Rotation Speed FSW[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(2): 61-66.

[12] 趙亞東, 田龍, 何強. 1060鋁攪拌摩擦焊與TIG焊接頭組織和性能分析[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(11): 41-44.

ZHAO Ya-dong, TIAN Long, HE Qiang. Analysis on Microstructure and Properties for 1060 Al Alloy Friction Stir Welding and Argon Tungsten-arc Welding Joints[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(11): 41-44.

[13] BAGHERI B, ABBASI M, ABDOLLAHZADEH A. Microstructure and Mechanical Characteristics of AA6061-T6 Joints Produced by Friction Stir Welding, Friction Stir Vibration Welding and Tungsten Inert Gas Welding: A Comparative Study[J]. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2021, 28(3): 450-461.

[14] MIRANDA A C, GERLICH A, WALBRIDGE S. Aluminum Friction Stir Welds: Review of Fatigue Parameter Data and Probabilistic Fracture Mechanics Analysis[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2015, 147: 243-260.

[15] 封亞明, 何柏林. 高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能的研究進展[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(11): 5-8.

FENG Ya-ming, HE Bo-lin. Research Progress on Fatigue Properties of Aluminum Alloy Welded Joint of High Speed Train[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(11): 5-8.

[16] 王池權, 石亮, 張祥春, 等. 焊接缺陷對異種鋁合金TIG對接接頭疲勞行為的影響[J]. 北京航空航天大學學報, 2021, 47(7): 1505-1514.

WANG Chi-quan, SHI Liang, ZHANG Xiang-cun, et al. Influence of Welding Defects on Fatigue Behavior of Dissimilar Aluminum Alloy TIG Butt Joint[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(7): 1505-1514.

[17] ROJAS H, MOLINA A, VALDEZ S, et al. The Impact of Heat Input on the Microstructures, Fatigue Behaviors, and Stress Lives of TIG-welded 6061-T6 Alloy Joints[J]. Materials Research Express, 2020, 7(12): 126512.

[18] 方大鵬. 航空鋁合金Lc4-T4和7075-T6攪拌摩擦焊接頭疲勞性能研究[D]. 天津,天津大學, 2007: 34-38.

FANG Da-peng. Investigation of Fatigue Properties of Friction Stir Welded Aluminum Alloys Lc4-T4 and 7075-T6[D]. Tianjin, Tianjin University, 2007: 34-38.

[19] ZHANG Deng-kui, WANG Guo-qing, WU Ai-ping, et al. Study on the Inconsistency in Mechanical Properties of 2219 Aluminum Alloy TIG-welded Joints[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 777: 1044-1053.

[20] 王非凡, 謝聿銘, 吳會強, 等. 2219鋁合金FSW和TIG焊接頭力學與腐蝕行為[J]. 焊接學報, 2022, 43(6): 43-49.

WANG Fei-fan, XIE Yu-ming, WU Hui-qiang, et al. Mechanical Performances and Corrosion Behaviors of Friction Stir Welded and TIG Welded 2219 Aluminum Alloy joints[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2022, 43(6): 43-49.

[21] 馬青娜, 邵飛, 白林越, 等. 7075鋁合金FSW接頭腐蝕疲勞性能及斷裂特征[J]. 焊接學報, 2020, 41(6): 72-77.

MA Qing-na, SHAO Fei, BAI Lin-yue, et al. Study on Corrosion Fatigue Properties and Fracture Characteristics of 7075 Aluminum Alloy FSW Joint[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2020, 41(6): 72-77.

[22] 喬巖欣, 周洋, 陳書錦, 等. 雙軸肩攪拌摩擦焊對6061-T6鋁合金表面組織及其在3.5%NaCl中腐蝕行為的影響[J]. 金屬學報, 2016, 52(11): 1395-1402.

QIAO Yan-xin, ZHOU Yang, CHEN Shu-jin, et al. Effect of Bobbin Tool Friction Stir Welding on Microstructure and Corrosion Behavior of 6061-T6 Aluminum Alloy Joint in 3.5%NaCl Solution. Acta Metallurgica Sinica. 2016, 52(11): 1395-1402.

[23] 徐世偉, 李茂林, 張體明, 等. 2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能的不均勻性研究[J]. 精密成形工程, 2021, 13(6): 145-150.

XU Shi-wei, LI Mao-lin, ZHANG Ti-ming, et al. Non-Uniformity of Microstructure and Mechanical Properties of Friction Stir Welding Joints of 2219 Aluminum Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(6): 145-150.

[24] 張健輝, 紀志軍, 馮新, 等. ZTA15鑄造鈦合金高周疲勞性能研究[J]. 精密成形工程, 2022, 14(6): 28-35.

ZHANG Jian-hui, JI Zhi-jun, FENG Xin, et al. High-cycle Fatigue Properties of ZTA15 Cast Titanium Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(6): 28-35.

[25] 孫紅梅. 6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能的研究[D]. 北京, 北京交通大學, 2009: 50-54.

SUN Hong-mei. Research on Microstructure and Properties of Friction Stir Welded Joint of 6082-T6 Aluminum Alloy[D]. Beijing,Beijing Jiaotong University, 2009: 50-54.

[26] 韓永典, 李展, 徐連勇, 等. S690高強鋼腐蝕疲勞裂紋擴展行為拘束效應[J]. 焊接學報, 2018, 39(12): 13-18.

HAN Yong-dian, LI Zhan, XU Lian-yong, et al.Constraint Effect of Corrosion Fatigue Crack Growth Behavior in S690 High Strength Steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(12): 13-18.

Mechanical Properties and Fatigue Properties of 2219 Aluminum Alloy TIG Joints and FSW Joints

YANG Zi-han1, LIU De-bo1, YANG Si-yu2, HAN Yong-dian2,3

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 3. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining, Tianjin 300350, China)

The work aims to study the effects of TIG and FSW on the mechanical properties and fatigue properties of 2219 aluminum alloy. The tensile strength and elongation of three specimens (BM, TIG and FSW joints) were tested through tensile test. The fatigue life of the three specimens under different stresses was tested by fatigue test. According to the results of fatigue test,-curves of the three specimens were drawn, and the morphology characteristics of the fatigue fracture were observed and analyzed by SEM. The tensile strength and elongation of unwelded aluminum alloy were the highest, which were 506 MPa and 15.92% respectively, The tensile strength and elongation of TIG joint were 330 MPa and 7.65% respectively. The tensile strength and elongation of FSW joint were 310 MPa and 8.74% respectively. For three specimens, the fatigue strength at 2×106cycles was 129, 108 and 115 MPa respectively. The fatigue fracture surfaces of the three specimens can be divided into crack source, crack propagation area and transient fracture area. The fatigue cracks of the three specimens originated from the local deformation area, second phase inclusions and "kissing" defects on the surface of the sample, respectively. The main morphology of fatigue crack growth area was fatigue striation and secondary crack, and the transient fracture area was mainly brittle fracture morphology. Both TIG and FSW processes reduce the strength, plastic toughness and fatigue performance of 2219 aluminum alloy. The second phase inclusions and "kissing" defects on the joint surface promote the initiation of fatigue cracks.

2219 aluminum alloy; tensile properties; fatigue properties; fracture morphology characteristics;tungsten inert-gas arc welding; friction stir welding

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.003

TG405

A

1674-6457(2023)01-0017-08

2022–07–25

2022-07-25

國家自然科學基金（51974198）

National Natural Science Foundation of China (51974198)

楊子涵（1996—），女，碩士，工程師，主要研究方向為推進劑貯箱結構設計。

YANG Zi-han (1996-), female, master, engineer, Research focus: structural design technology of propellant tank.

韓永典（1983—），男，博士，副教授，主要研究方向為焊接結構疲勞、腐蝕及斷裂。

HAN Yong-dian (1983-), male, doctor, associate professor, Research focus: fatigue, corrosion and fracture of welded structures.

楊子涵, 劉德博, 楊思愚, 等. 2219鋁合金TIG和FSW接頭力學及疲勞性能[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 17-24.

Yang Zi-han, Liu De-bo, Yang Si-yu, et al. Mechanical properties and fatigue properties of 2219 aluminum alloy TIG joints and FSW joints[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 17-24.