CN106872300A - 基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展特性研究方法 - Google Patents

基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展特性研究方法 Download PDF

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张红霞
王文先
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Abstract

基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦接头疲劳裂纹扩展特性研究方法，属于镁合金材料力学性能的技术领域，其特征在于是一种针对含预制裂纹镁合金在疲劳载荷作用下试件扩展的过程，由于弹塑性变形作用使得试件内能升高，最终伴随着裂纹扩展释放能量，得到试件内部声发射信号与循环次数关系曲线；通过分析曲线形状特征，确定疲劳试件的扩展情况，进而求得镁合金进入失稳扩展阶段的临界值，该方法无需实验人员对试件一直观察，具有方便、快捷、准确等优点。

Description

基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展特性 研究方法
技术领域
本发明基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦接头疲劳裂纹扩展特性研究方法，属于镁合金焊接接头力学性能的技术领域。涉及材料领域，具体来讲是一种基于声发射检测的搅拌摩擦焊后镁合金的疲劳裂纹扩展特性的技术方案。
背景技术
镁合金具有较高的比强度和比刚度，优异的导电性和导热性，良好的吸振降噪性和电磁屏蔽性，尺寸稳定及延展性好，比重小，易于回收等优点，在部分取代铝合金或钢铁结构方面有很大的发展空间。但作为服役结构件，由于镁合金熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学性质活泼，易氧化等特点，使镁合金在传统的熔化焊焊接工艺中面临粗晶、氧化、蒸发、热应力等问题。搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的新型固相连接技术，焊接时，金属在搅拌头的作用下完成塑化连接而不发生熔化，其焊接温度较低，避免了镁合金在熔化焊时产生的上述缺陷问题，对于镁合金的焊接具有独特的优势。
声发射技术是广泛应用于各种材料变形、断裂和相变过程的无损检测技术，然而，较少利用声发射研究镁合金的加载过程，对搅拌摩擦焊焊后的裂纹扩展特性研究还未涉及。
发明内容
本发明基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦接头疲劳裂纹扩展特性研究方法，目的在于为了弥补上述现有技术的不足，利用声发射研究搅拌摩擦焊焊后镁合金的裂纹扩展特性的可行性，从而提供一种搅拌摩擦焊后镁合金的疲劳裂纹扩展特性的研究方法。
本发明基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦接头疲劳裂纹扩展特性研究方法，其特征在于该研究方法包括如下步骤：
第一，设置搅拌摩擦焊接参数，在搅拌摩擦焊设备上加工出镁合金的对接焊缝，搅拌摩擦焊设备型号为FSW-LM-AM16-2D；
第二，根据GB/T6398-2000标准加工出镁合金搅拌摩擦焊后的紧凑拉伸试样；
第三，根据标准规定的试验方法，将紧凑拉伸试样夹持在疲劳试验机上，拉伸试验仪器采用DNS-100型通用测试***，同时，在待测试样上安装声发射传感器，记载过程中记录裂纹扩展长度和每一整数长度下疲劳试验机的加载循环次数，同时，由DS5-B系列全信息声发射信号分析仪自动收集实验过程中的声发射信号；
第四，将实验所得的疲劳裂纹扩展数据(da/dN和ΔK)绘制在双对数坐标(lg(da/dN)－lgΔK)中，将收集到的声发射数据的撞击数(dC/dN和ΔK)绘制在双对数坐标(lg(dC/dN)－lgΔK)中，其中，采用割线法计算da/dN、dC/dN，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子ΔK，da/dN、dC/dN和ΔK的计算公式分别为
其中，a为裂纹扩展长度mm，da/dN为裂纹扩展速率，C为声发射信号的撞击数，N为疲劳试验机的加载循环次数，ΔP为循环最大载荷与最小载荷之差即力值范围KN，B为试样厚度mm，W试样宽度mm，α＝a/W；
第五，将绘制的点图进行线性拟合并进行数据比较和误差分析。
本发明基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦接头疲劳裂纹扩展特性研究方法的有益效果是：基于镁合金搅拌摩擦焊在疲劳载裂纹扩展过程中释放能量的固有特征，对疲劳载荷下的试件的声能特征信息进行提取，使之以声波图像的形式直观的展现出来；利用声发射分析仪监测裂纹扩展试验，根据声波图形以及回放参数做出的dC/dN-ΔK曲线预测。与现有技术相比，该方法具有试验过程简单，试验结果精确，为搅拌摩擦焊后镁合金疲劳裂纹扩展特性研究提供了新思路，具有一定的理论意义和现实可行性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明具体实施方式中疲劳裂纹扩展数据在双对数坐标(lg(da/dN)－lgΔK)中的拟合图；
图3是本发明具体实施方式中疲劳裂纹扩展过程中声发射数据的撞击数在双对数坐标(lg(dC/dN)－lgΔK)中的拟合图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步说明。
基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦接头疲劳裂纹扩展特性研究方法，包括有如下步骤：
第一，设置搅拌摩擦焊接参数，在搅拌摩擦焊机上加工出5mm厚的AZ31B镁合金对接焊缝，搅拌磨檫焊机设备型号为FSW-LM-AM16-2D，板厚5mm，轴肩直径为20mm，搅拌针长度为4.85mm，搅拌针直径为5mm，主轴旋转速度1200r/min，焊接速度300mm/min；
第二，根据GB/T6398-2000标准加工出三组AZ31B镁合金搅拌摩擦焊后的紧凑拉伸试样，试样所开坡口分别位于焊缝中心、前进侧(距离焊缝中心10mm处)和后退侧(距离焊缝中心10mm处)。试样厚度B＝5mm，宽度W＝68mm，切口采用线切割方式加工，预制裂纹长度2mm；
第三，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，拉伸试验仪器采用DNS-100型通用测试***，实验温度为室温，频率为20Hz，加载波形为正弦波性，应力比R＝0.1，载荷为1.5kN，拉伸过程中记录裂纹长度和每一整数长度下疲劳试验机的加载循环次数，同时，待测试样上安有声发射传感器，由DS5-B系列全信息声发射信号分析仪自动收集实验过程中的声发射信号，参数设置中，放大器增益40dB，采样率3Mhz，带通滤波的频率范围100-400KHz；
第四，实验所得的三组疲劳裂纹扩展数据(da/dN和ΔK)绘制在双对数坐标(lg(da/dN)－lgΔK)中，将收集到的三组声发射数据的撞击数(dC/dN和ΔK)绘制在双对数坐标(lg(dC/dN)－lgΔK)中，其中，采用割线法计算da/dN、dC/dN，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子ΔK，da/dN、dC/dN和ΔK的计算公式分别为
其中，a为裂纹扩展长度mm，da/dN为裂纹扩展速率，C为声发射信号的撞击数，N为疲劳试验机的加载循环次数，ΔP为循环最大载荷与最小载荷之差即力值范围KN，B为试样厚度mm，W试样宽度mm，α＝a/W；
第五，将绘制的点图进行线性拟合并进行数据比较和误差分析。所获得的Paris常数m和logC如表1所示：
表1
lg(da/dN)－lgΔK (dC/dN)－lgΔK
m 4.10177 4.21977
logC -12.39717 -12.27380
表中可知与传统的lg(da/dN)－lgΔK计算方法相比，由声发射数据拟合(dC/dN)－lgΔK计算出的m和logC的误差分别为2.877％和0.995％，误差较小。
该实施方式证明了利用声发射检测来研究搅拌摩擦焊后镁合金疲劳裂纹扩展特性的可行性，具有一定的准确性。

Claims (1)

1.基于声发射检测的镁合金搅拌摩擦接头疲劳裂纹扩展特性研究方法，其特征在于，该研究方法包括如下步骤：
第一，设置搅拌摩擦焊接参数，在搅拌摩擦焊设备上加工出镁合金的对接焊缝，搅拌摩擦焊设备型号为FSW-LM-AM16-2D；
第二，根据GB/T6398-2000标准加工出镁合金搅拌摩擦焊后的紧凑拉伸试样；
第三，根据标准规定的试验方法，将紧凑拉伸试样夹持在疲劳试验机上，拉伸试验仪器采用DNS-100型通用测试***，同时，在待测试样上安装声发射传感器，记载过程中记录裂纹扩展长度和每一整数长度下疲劳试验机的加载循环次数，同时，由DS5-B系列全信息声发射信号分析仪自动收集实验过程中的声发射信号；
第四，将实验所得的疲劳裂纹扩展数据(da/dN和∆K)绘制在双对数坐标(lg(da/dN)－lg∆K)中，将收集到的声发射数据的撞击数(dC/dN和∆K)绘制在双对数坐标(lg(dC/dN)－lg∆K)中，其中，采用割线法计算da/dN、dC/dN，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子∆K，da/dN、 dC/dN和∆K的计算公式分别为
其中，a为裂纹扩展长度mm，da/dN为裂纹扩展速率，C为声发射信号的撞击数，N为疲劳试验机的加载循环次数，ΔP为循环最大载荷与最小载荷之差即力值范围KN，B为试样厚度mm，W试样宽度mm，α=a/W；
第五，将绘制的点图进行线性拟合并进行数据比较和误差分析。
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