超声表面机械研磨处理对6061铝合金FSW接头疲劳行为的影响

0 前言

铝合金以其耐腐蚀性好、密度低、价格优等特点在航空航天、交通运载工具等结构领域得到了广泛的应用。铝合金在这些结构中的应用离不开焊接技术的支持，而传统熔化焊接头中往往存在夹杂物、热裂纹等缺陷，使铝合金焊接接头性能显著降低。搅拌摩擦焊(FSW)是在机械力和摩擦热作用下的一种固相连接方法［1］，在焊接过程中金属不熔化，焊后不存在热裂纹、气孔等潜在危害［2］。与传统焊接方法相比，FSW明显提高了铝合金焊接接头的力学性能［3］。

湖北华贵销售的产品以藕带为主、其他莲藕制品及水生蔬菜为辅，目前藕带销售占比为80%。因藕带为加工制品，存放时间较长，线上销售量变化不大，不受季节因素影响，线上年推广投入费用约为300万；线下销售量受节日因素影响，在年底需求量较大。公司的运营成本主要包括人工成本、原材料采集成本、物流成本以及推广成本，加上目前企业还没有专项物流，完全依靠与各大物流公司合作完成，年物流成本约为360万。

疲劳是焊接结构失效的主要原因之一，而目前国内外已有研究者对于铝合金搅拌摩擦焊的疲劳性能进行了研究［4－6］。研究发现，结构的疲劳、腐蚀、磨损等失效均发生在材料表面［7］。通过对铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳试验发现，由于材料缺陷而引起的小裂纹源延伸到1 mm长度的过程占材料疲劳寿命的80%［8］。这些缺陷对材料表面的结构和性能非常敏感，对材料的使用寿命有很大影响。因此采取一定的措施，优化表面性能，减少材料表面缺陷，从而可以提高材料的疲劳性能。

超声表面机械研磨处理(USMGT)是一种新型的表面改性技术，可以在材料表面形成梯度纳米结构。这种梯度纳米结构的形成显著改善了金属材料的力学性能［9］。黄海威等人［10］通过在 AISI316L不锈钢表面的机械滚压，得到了厚度约为1 mm、最表层平均晶粒尺寸为30 nm的梯度表面结构。

目前对于滚压处理后样品的疲劳寿命的研究，多是在均质材料上进行。而非均质结构的应力集中部位、粗糙表面往往是疲劳断裂的裂纹源，因此对焊接接头进行USMGT，改善材料的表面结构特征，从而使非均质接头的疲劳寿命得到有效提高。

文中采用OM，SEM，显微硬度仪等测试手段对表面处理层的厚度和形貌、疲劳断口特征等进行分析，对USMGT后的6061铝合金搅拌摩擦焊接头的力学性能和疲劳断裂行为进行研究。

“互联网＋”在当前的时代是不可忽视的大趋势，在小学数学领域中的应用愈加深入。因此，信息技术的应用有助于提升教学效率与质量，对于数学科目的教学来说，利用信息技术开展教学更是能够将抽象的符号、数字等与直观要素结合起来加快理解的教学途径，为此文中进行了应用分析，提出了教学建议，以推动教学优化。

1 试验材料及方法

1．1 试验材料及焊接方法

试验材料为经过热处理强化的AA6061-T6铝合金板材，化学成分见表1。

焊前对铝合金表面进行抛光处理，以去除表面氧化层。采用双面搅拌摩擦焊接技术，搅拌头旋转速度和焊接速度分别为800 r/min和100 mm/min。FSW接头疲劳试件的形状尺寸如图1所示。

表1 试验用铝合金化学成分(质量分数，%)

Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr Ti Al 0．4 ～0．8 0．50 0．15 ～0．40 0．15 0．8 ～0．12 0．25 0．04 ～0．35 0．15余量

图1 疲劳试样形状与尺寸

1．2 表面研磨处理

超声表面机械研磨处理是通过滚压头在金属试样表面施加一定幅度的超声频机械振动，并在一定静压力和进给速度条件下，滚压头将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态的被加工试样表面，使金属表面发生塑性变形;同时在零件表面产生压应力，提高零件表面的耐磨性、疲劳强度和疲劳寿命。

将焊接接头切割成所设计的疲劳试件后，在室温下采用超声表面机械研磨技术对接头进行10次滚压。超声滚压的参数见表2。

表2 USMGT参数

气压P/MPa滚压球直径d/mm旋转速度ω/(r·min－1)滚球进给速度v/(mm·s－1)滚压深度h/μm 0．5 14 150 0．15 50

1．3 疲劳试验

焊接接头的疲劳试验在PLG－200D高频疲劳试验机上进行。疲劳试验在室温下以恒定的振幅载荷进行，应力比R=0．1，静载荷误差和动态载荷误差均为±2%，振动频率为110～140 Hz。

1．4 表面粗糙度、显微硬度及断口观察

使用JB－1C(3)表面粗糙度测试仪测量USMGT前后焊接接头的表面粗糙度;用HVS－100A维氏硬度计测量焊接接头的硬度，试验载荷为100 g，持续时间10 s，每隔100 μm，沿半径方向从表面到内部测量焊接接头的每个区域的硬度值。

USMGT后，用200～2 000号水砂纸对试样进行打磨和抛光;采用Keller试剂浸蚀30～60 s。采用金相显微镜(Leica DM2700－Moptical)对样品观察，使用扫描电子显微镜(JSM－6700F)进行断口观察。

2 结果及分析

2．1 焊接接头硬度分布及微观组织

2．1．1 焊接接头宏观特征及硬度分布

3.分类制定平台模板。以最大程度钻遇目的油气层为目标，以最少占用土地为重点，分类开展平台模板设计。针对滩涂浅海设计以水平井为主的地下井口槽丛式钻井平台，针对盐田虾池湿地设计以大斜度井为主的半潜丛式钻井平台，针对城镇、村庄和生态农业区设计以定向井和水平井相结合的地上丛式钻井平台。在此基础上，固化井身结构、举升工艺和地面配套设计标准，采用撬装化安装、模块化预制等措施，以达到节约土地、提高劳动效率的目的。

FSW接头宏观照片及硬度分布如图2所示，由图中可以看出，宏观结构可分为四个区域:焊核区(WNZ)热机影响区(TMAZ)热影响区(HAZ)母材(BM)，显微硬度分布恰好与宏观结构相同，也为四个区。

对博大精深的梅葛文化来说，语言问题是重中之重。尽管过去的文艺工作的群众路线落实得很到位，但如果不能掌握民族语言，翻译和理解都难免有差错。

DN315、DN250、DN200、DN160 等管沟采用斗宽1.2 m的挖掘机开挖，人工辅助底面修整，管沟断面为矩形，自地面向下1.8m，管沟底宽1.2 m， 底部应平顺；DN110、DN90、DN75、DN63、DN50、DN32、DN25、DN20各种管沟采用人工开挖，人工底面修整，管沟断面为矩形，自地面向下0.8m，管沟底宽0.5m，底部应平顺。管沟开挖应根据管道敷设方向合理确定开挖区段，分段施工，敞沟时间尽量缩短。

图2 FSW接头宏观形貌及硬度分布

2．1．2 USMGT前后焊接接头的微观结构

USMGT处理后接头表面梯度层如图3所示，表层晶粒发生严重变形和细化，梯度层大约240 μm。

说她啰嗦她还不承认，关于她去北京旅游的事，念叨了起码几十遍，每一个细节都翻来覆去地描述，以至于她一说登长城，我就能接着说：“我知道，你去的那回，好多外国人背着小孩在那登长城。”她听不出我的言外之意，还喜滋滋地补充：“是啊，都是粉嘟嘟的外国小毛头，太好看了。”我心里很不以为然，哪个种族的娃娃还不都是粉嘟嘟的啊。

图3 表面梯度层

图4 为USMGT处理后FSW接头的微观组织特征。由图4可以看出，在WNZ中，微观组织均匀细小，为等轴晶特征，这是由于搅拌针在搅拌过程中与材料摩擦生热，从而在焊核区中形成高温和高变形所致，同时WNZ中存在细小的第二相均布在晶界处。在TMAZ中，晶粒结构呈板条状并且晶粒粗大，第二相明显聚集，这是因为焊接过程中的变形应力不足以支持再结晶过程;因此该区域中的晶粒仅受搅拌针的机械力的影响，并且发生变形。

图4 焊接接头微观结构

图4 表层作为直接受滚压处理区域，可以看出样品表面边缘部分金属的轧制痕迹得到部分改善，边缘部分分布相对均匀。表层晶粒明显细化，但远离表面的晶粒与未经USMGT处理的晶粒相比没有变化。在WNZ中，接头的最外层直接受到滚压处理的影响，并且等轴晶粒均匀细小;在TMAZ和HAZ中，外表面区域晶界显示出细小的条纹状。

2．2 梯度层显微硬度分析

USMGT引起表面强化层的显微硬度梯度变化如图5所示。USMGT后焊接接头表面硬度值较大，硬度值随深度增加而减小。在距表面约1 000 μm处，硬度值趋于稳定，可以看出每个区域的硬度值趋势与图2中FSW接头的硬度值基本一致。从不同区域的硬度值的比较来看，无论是否经过USMGT处理，TMAZ的硬度始终是最低的。接头表面硬度值的提高是由于USMGT处理引起的晶粒细化和加工硬化导致。细晶粒受到外力发生塑性变形分散在更多的晶粒内，塑性变形较均匀，应力集中较小，同时晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化［11］。

图5 FSW接头USMGT后各区域沿厚度方向的硬度值

2．3 疲劳断裂行为

2．3．1 疲劳S-N曲线

当前，我国的农业技术推广在农业经济发展中已取得了明显成效，但与发达国家相比还是存在不小的差距。就科技成果而言，其推广力度不够、效率不高、实践性不强，需要进一步加大宣传。

图6为USMGT前后FSW接头的S-N曲线，经过1×107次循环，接头处理前后的疲劳强度分别为117 MPa和150 MPa，USMGT处理后的疲劳强度提高了28%。从S-N曲线可以看出，处理后接头的疲劳性能高于未处理接头的，这表明USMGT可以提高接头的疲劳寿命。

由图中还可以发现，USMGT后FSW接头的曲线斜率大于FSW接头的斜率，当应力为150 MPa时，处理前后FSW接头的疲劳寿命分别为504 437次循环和1 773 103次循环，USMGT后接头的疲劳寿命是USMGT之前的3．5倍。

图6 USMGT前后焊接接头的疲劳结果(R=0．1)

2．3．2 疲劳断裂位置

图7为USMGT前后的疲劳断裂位置宏观照片。由图中可以看出，疲劳断裂位置全部在接头前进侧的TMAZ和HAZ之间。在USMGT处理之后，即使疲劳寿命得到改善，FSW接头疲劳最弱的区域也仍然保持不变。

图7 USMGT前后FSW接头的疲劳断裂位置

2．3．3 断口分析

金属结构在断裂失效前，裂纹源可以萌生于表面，也可以萌生于材料内部［12－13］。图8为 USMGT前后FSW接头的疲劳断口宏观形貌，可以发现接头疲劳断裂的裂纹源和扩展区呈扇形。比较图8a和图8b，USMGT后瞬时断裂区靠近表层区域平整光亮，表现出典型的脆性断裂特征。

图9为USMGT前后焊接接头疲劳裂纹源的SEM照片。从图9a中可以看出，裂纹萌生于材料表面的第二相部位。同时，在裂纹源附近存在一些孔洞缺陷，这些孔洞容易在表面产生大的应力集中［14］。在疲劳加载过程中，随着交变载荷的增加，单向应力转换为二维或三维应力，从而导致疲劳裂纹的萌生。

由于投入不足，部分工程未开展专业规划设计或设计深度过浅，项目规划布局不够合理，设施配套缺乏，单项工程设计存在明显缺陷或错误，难以为项目建设提供科学、有效的指导，不仅影响了工程建设进度、质量及效益发挥，造成资金、资源浪费和闲置，而且部分单项工程还存在一定的安全隐患。由于投入不足，工程建设施工及建后管护、抚育等各项措施难以保证，导致部分工程施工质量较低，运行不正常，综合效益较差。

（七）市场营销能力与新疆农产品区域品牌竞争力的关系。营销能力是品牌投资的关键[21]14，品牌需要市场营销路径的创新，企业营销能力对品牌价值实现关系密切，好的营销能够促进品牌价值提升[22]115-118。在新疆农产品销售、推广过程中，市场营销能力成为农产品品牌提升的重要举措。因此，提出如下假设：

在图9b中，裂纹起源于滚压层内部部位，由夹杂物引起的，表明USMGT处理可以使裂纹源的位置从材料的原始表面转移到内部。这是由于USMGT处理后焊接接头表面缺陷和应力集中已经基本消除，表面纳米层同内部未经处理的部分相比强度提高，形成了竞争机制，这可以有效防止裂纹源在表面上萌生。

图8 疲劳断口宏观形貌

图9 FSW接头USMGT前后疲劳裂纹源

2．4 USMGT表面强化机制

2．4．1 表面光洁度分析

图10是FSW接头USMGT前后的宏观照片。可以发现焊接接头表面有大量规则致密的凹槽划痕(图10a);USMGT之后(图10b)，试样表面凹槽划痕明显减少，并且表面粗糙度显著降低。表3为USMGT前后接头的表面粗糙度，FSW接头疲劳试样表面平均粗糙度为Ra=3．2 μm，并且表面存在深褐色氧化物层。USMGT后，接头表面的平均粗糙度 Ra=0．5 μm。以上结果表明USMGT后焊接接头的表面粗糙度得到改善。

图10 USMGT前后接头微观表面质量

表3 试样表面平均粗糙度

处理方法 平均粗糙度Ra/μm未USMGT 3．2 ±0．62 USMGT 0．5 ±0．11

裂纹源作为疲劳失效的起点一般是由材料的表面或次表面的缺陷(如粗糙的表面)引起，研究发现，材料表面粗糙度对裂纹萌生位置和疲劳寿命均有影响，表面粗糙度越大，凹槽表面越深，底部半径越小，应力集中越严重，抗疲劳损伤的能力就越差。因此，降低表面粗糙度可以改善疲劳寿命［15］。USMGT过程中，在滚球和摩擦力的作用下，材料表面产生大的塑性变形，使表面的粗糙度得到改善，从而提高材料的疲劳性能。

2．4．2 梯度结构分析

采用金相显微镜观察USMGT后的微观结构和变形层后可以发现，表面微观结构呈现三个区域:细晶粒区域(FGA)、过渡区域(TA)和基底区(MA)，如图11所示。其中，细晶粒区域平均尺寸为纳米级，晶界模糊。FGA是直接受USMGT影响的区域，其变形程度最为严重。TA是FGA和MA之间的过渡区域，TA区域的微观结构介于FGA和MA之间。TA晶界变形明显，USMGT处理后晶界变形趋向与滚压方向一致。并且晶粒尺寸大于FGA区域的晶粒尺寸。

USMGT使接头的外表面形成了塑性变形层，并发生了晶粒细化，接头强度和硬度得到了显著提高;同时，由于滚压的作用，接头表面层引入一定深度的残余压应力，残余压应力能有效提高接头的疲劳寿命。

由表2可以看出，对于G分量图像：对面积在190～250之间的鸡蛋，蛋黄指数大于0.26则判定为双黄鸡蛋；对面积小于190的鸡蛋，蛋黄指数大于0.38则判定为双黄鸡蛋。

图11 USMGT后的微观结构变形层

3 结论

(1)USMGT处理后，接头的疲劳寿命和表面质量得到改善。疲劳试验的应力越低，USMGT工艺改善接头疲劳寿命的效果越明显。

(2)USMGT后接头疲劳断裂的最弱区域没有变化，TMAZ与HAZ之间的区域仍然是疲劳过程中裂纹起源的部位。

(3)材料内部缺陷一般是裂纹萌生的主要位置，根据疲劳断口分析，USMGT后的接头的表面缺陷得到改善，疲劳裂纹源萌生位置从表面迁移到材料内部。

参考文献

［1］ Knipstrom K E，Pekkari B．Friction stir welding process goes commercial［J］．Welding Journal，1997(9):55 － 57．

［2］ Zhou C，Yang X，Luan G．Fatigue properties of friction stir welds in Al 5083 alloy［J］．Scripta Materialia，2005，53(10):1187－1191．

［3］ Tavassolimanesh A，Nia A A．Investigating the properties of bimetallic aluminum-clad copper tubes produced by friction stir welding［J］．Journal of Alloys and Compounds，2018，751:299－306．

［4］ Hanlon T，Tabachnikova E D，Suresh S．Fatigue behavior of nanocrystalline metals and alloys［J］．International Journal of Fatigue，2005，27(10－12):1147－1158．

［5］ He C，Liu Y，Dong J，et al．Through thickness property variations in friction stir welded AA6061 joint fatigued in very high cycle fatigue regime［J］．International Journal of Fatigue，2016，82:379－386．

［6］ Liu P，Lu F，Liu X，et al．Study on fatigue property and microstructure characteristics of welded nuclear power rotor with heavy section［J］．Journal of Alloys and Compounds，2014，584:430－437．

［7］ Koga G Y，Wolf W，Schulz R，et al．Corrosion and wear properties of FeCrMnCoSi HVOF coatings［J］．Surface and Coatings Technology，2019，357:993－1003．

［8］ Gao Y K，Wu X R．Experimental investigation and fatigue life prediction for 7475-T7351 aluminum alloy with and without shot peening-induced residual stresses［J］．Acta Materialia，2011，59(9):3737－3747．

［9］ Chang Y，Telang A，Gill A S，et al．Gradient nanostructure and residual stresses induced by ultrasonic nano-crystal surface modification in 304 austenitic stainless steel for high strength and high ductility［J］．Materials Science ＆ Engineering A，2014，613(11－12):274－288．

［10］ Huang H W，Wang Z B，Lu J，et al．Fatigue behaviors of AISI 316L stainless steel with a gradient nanostructured surface layer［J］．Acta Materialia，2015，87:150 －160．

［11］ Xu W，Liu X C，Lu K．Strain-induced microstructure refinement in pure Al below 100 nm in size［J］．Acta Materialia，2018，152:138－147．

［12］ Deng C，Wang H，Gong B，et al．Effects of microstructural heterogeneity on very high cycle fatigue properties of 7050-T7451 aluminum alloy friction stir butt welds［J］．International Journal of Fatigue，2016，83:100－108．

［13］ Huang Y，Wan L，Lü S，et al．Gradient micro-structured surface layer on aluminum alloy fabricated by in situ rolling friction stir welding［J］．Materials ＆ Design，2013，52:821－827．

［14］ 付云伟，倪新华，刘协权，等．颗粒缺陷相互作用下复合材料的细观损伤模型［J］．力学学报，2016，48(6):1334－1342．

［15］ 王帅，王建明，吕鹤婷．喷丸表面粗糙度对疲劳寿命影响研究［J］．组合机床与自动化加工技术，2018(2):12－16．