四 FSW焊接接头的力学性能
在一般情况下，搅拌摩檫焊焊接接头的力学性能，大约与母材和MIG焊接接头性能相当。
（一）接头的抗拉强度和弯曲性能
最近英国焊接研究所（TWI）认为，2000、5000、7000等系铝合金的搅拌摩檫焊焊接接头的常态强度与母材等强度，但也有的低于母材。表2-2给出了铝合金搅拌摩檫焊焊接接头的力学性能数据。
表2-2 铝合金的搅拌摩檫焊焊接接头的拉伸试验结果
注：PM－断裂在母材，WM－断裂在焊缝，HAZ－断裂在热影响区，HAZ/ PM－断裂在热影响区和母材交接处
Kluken等对采用各种焊接方法和搅拌摩檫焊焊接的A6005铝合金接头的静态强度进行了比较，从表2-2中可以看出，等离子弧小孔焊焊接接头的抗拉强度值最高，为194MPa；搅拌摩檫焊最低，为175Mpa，而接头的延伸率却最高，为22%。但是搅拌摩檫焊焊接接头没有气孔、裂纹等缺陷。2000系铝合金的搅拌摩檫焊焊接接头，断裂发生在热影响区。
铝合金分为热处理型和非热处理型。对于热处理型合金来说，采用熔焊时，焊接接头性能发生改变是一个大问题。飞机制造用的2000、7000系硬铝，时效后进行搅拌摩檫焊，或搅拌摩檫焊之后进行时效处理，两者焊接接头的静态抗拉强度约为母材的80~90%。
6000系的6N01-T6铝合金广泛用于日本的铁路车辆制造。焊接和时效处理顺序对机械性能有很大的影响。表2-3是12mm的6No1-T6铝合金在大气中和水冷中进行搅拌摩檫焊，焊接接头的抗拉强度试验结果。从试验结果可以看出，经时效处理后，焊接接头的抗拉强度得到了提高。
表2-3 焊接中冷却方式和时效处理对抗拉强度的影响
摩擦焊的焊接强度和板厚的关系:
特别是在水冷中焊接的试件经时效处理后，改善效果最为显著。这是因为，水冷使软化区变小，采用这样的时效处理，硬度回复效果特别好。在一边水冷一边进行搅拌摩擦焊的情况下，接头强度的大小和被焊金属的厚度有关，如图2-26所示。随着板厚的增大，接头强度下降。
图2-26 6No1-T6铝合金在水冷中搅拌图
搅拌摩擦焊焊接焊头的弯曲试验，与电弧焊接头弯曲试验不同，弯曲半径为板厚的4倍以上。试验结果表明，在这样的试验条件下，无论是铝及其合金还是钢的搅拌摩擦焊焊接焊头的180o弯曲性能都很好。
由于搅拌摩擦焊是单道焊，被焊母材是被固定在垫板上。焊接时，为了避免搅拌头的搅拌指棒与垫板接触，搅拌头的搅拌指棒长度往往稍微比被焊金属厚度小一些，从而造成被焊金属的背面留有一定的间隙，它导致焊接接头在背弯试验时背面张开，相当于熔化焊的根部欠陷。如果焊缝根部有缺陷，可用砂轮将焊缝根部缺陷处轻轻打磨平。
（二）接头的硬度
搅拌摩擦焊接接头的硬度，由于被焊金属及时效方法等不同，焊接接头的硬度分布不同。
图2-27表示出了6No1-T5铝合金FSW接头的硬度分布，并与MIG焊接头的硬度分布进行比较。从图中可以看到，搅拌摩擦焊焊接接头的硬度比较高。
图2-27 FSW与MIG焊焊接接头硬度分布
材料时效有自然时效和人工时效之分。对2014A及7075铝合金搅拌摩擦焊焊接接头焊后进行了9个月自然时效，自然时效初始2个月硬度回复速度剧烈，经自然时效9个月后，2014A及7075铝合金焊接接头都没有回复到母材的硬度值，但7075铝合金焊接接头硬度的回复大。
图2-28 6063-T5铝合金搅拌摩擦焊焊接接头人工时效硬度的变化图
对于人工时效来说，板厚6mm的6063-T5 铝合金搅拌摩擦焊接头，经过人工时效的硬度的分布变化如图2-28所示。
由图可知，在175oC下保温2小时后接头硬度几乎达到了母材的硬度；人工时效12小时后，一部分处于过时效状态。人工时效处理促使焊缝金属中的针状析出物和β/相析出，导致接头硬度的恢复。
（三）疲劳强度
与TIG和MIG等熔焊方法相比较，铝合金的搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能具有明显的优势。其原因有二:
1、因为搅拌摩擦焊的焊缝材料经过搅拌头的摩擦、挤压、顶锻得到的是精细的等轴晶组织；
2、由于焊接过程是在低于材料熔点温度条件下完成，焊缝组织中没有熔焊经常出现的凝固偏析和凝固过程中产生的缺陷。
搅拌摩擦焊焊接接头综合性能优良。对于不同材料的铝合金如 A12014－T6、A12219、A15083－O、A17075等的搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能研究表明，铝合金材料的搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能均优于熔焊接头，其中A15083－O铝合金的搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能完全可以达到与母材相同的水平。系列疲劳试验结果表明，铝合金的疲劳性能指标远超过工业设计熔焊标准。
等人在悬臂拉伸的疲劳试验（应力比为0.5）中得到了与6005-T4母材几乎相同的S-N曲线图。搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳破坏处于焊缝上表面位置，而熔化焊焊接接头的疲劳破坏则处于焊缝根部。图2-29显示出了板厚为40mm的6No1-T5铝合金搅拌摩擦焊焊接接头，应力比为0.1的疲劳性能试验结果。试验结果表明，107次疲劳寿命达到母材的70%，即50MPa，此值为激光焊、MIG焊的2倍。
图2-29 6No1-T5铝合金各种焊接方法的疲劳强度
为了确定6No1S-T5的铝甲板构造物的疲劳强度，疲劳试件进行了比较大的改造，进行了箱型梁疲劳试验。试件为宽200mm、腹板高250mm的异型箱型断面，长2m。
图2-30给出了这一试件的疲劳试验结果。在106次以上疲劳强度降低。但大于欧洲标准Eurocod 9的疲劳强度极限的一倍以上。同一研究者做的20mm宽的小型试件的结果，在图中用点线标出的曲线，显示出同样的疲劳强度降低的现象。与大型试件相比较，下降的程度小。梁翼板由于受拉伸载荷作用，其搅拌摩擦焊焊缝产生疲劳龟裂。
图2-30 6No1S-T5的铝甲板构造物的疲劳强度图
（四）冲击韧度和断裂韧度
对板厚为30mm的5083-O铝合金，在焊速为40mm/min规范下，进行了双道搅拌摩擦焊，用焊得的接头制备了比较大型试件，进行了接头的低温冲击韧性试验，试验结果如图2-31所示。
图2-31 5083铝合金搅拌摩擦焊接头的冲击试验结果
无论是在液氮温度，还是液氦温度下，搅拌摩擦焊接头的低温冲击韧性都高于母材，断面呈现韧窝状。而MIG焊焊接接头在室温以下的低温冲击韧性均低于母材。同时采用KIC来评价接头的断裂韧性，与冲击韧性实验一样，搅拌摩擦焊接头的断裂韧度值高于母材，而在低温下发生晶界断裂。
一般来说，铝的搅拌摩擦焊焊缝金属承受载荷的能力，等于或高于母材在垂直于轧制方向的承载能力。板厚为5mm多种铝合金的搅拌摩擦焊接头，在室温下做了尖端裂纹张开位移CTOD（δ5）试验，其结果如表2-4所示。
表2-4 各种铝合金的搅拌摩擦焊接头断裂韧性值
断裂韧性试验采用在通常尺寸的试件（CT50，a/w为0.5）上预先开一疲劳尖端裂纹。从表中可见搅拌摩擦焊焊缝区都有良好的断裂韧性。7020铝合金搅拌摩擦焊的焊缝区，尖端张开位移CTOD最高值大于母材的0.39mm。而2024硬铝合金搅拌摩擦焊的焊缝区CTOD最高值稍微低于母材。搅拌摩擦焊的焊缝区具有良好的断裂韧性，其原因是搅拌摩擦焊的焊缝组织晶粒细化的结果。
（五）应力腐蚀裂纹
7000系硬铝是制造飞机用的材料。对其以下两种工艺的搅拌摩擦焊接头，进行了应力腐蚀裂纹试验，一是先时效后进行搅拌摩擦焊；二是先搅拌摩擦焊后进行时效处理。试验结果表明，焊后时效处理的焊缝组织中析出许多微细的η′相，具有良好抗应力腐蚀裂纹的性能；而先时效后再进行搅拌摩擦焊时，由于焊缝组织中析出的微细η′相，再固溶时产生溶解，因而焊缝产生了应力腐蚀裂纹。
