國產(chǎn)A7NO1S-T5鋁合金型材MIG焊接接頭疲勞性能研究

劉 建 ，馬傳平 ，魏書波，方喜風(fēng)，汪 認(rèn)

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 前言

鋁合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、外觀平整度好、容易制造復(fù)雜曲面等優(yōu)點(diǎn)，受到各國軌道交通業(yè)的重視[1]。A7N01 合金中 w（Zn）=4%～5%，w（Mg）=1%～2%，其擠壓性能良好，焊接性能良好，焊縫質(zhì)量高，是很理想的中等強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)材料，適合做承重較大的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于軌道車輛結(jié)構(gòu)件[2]。焊接是鋁合金軌道列車車體連接的最重要的方式，當(dāng)焊接接頭處承受交變動載時(shí)，會產(chǎn)生微觀和宏觀的塑性變形，這種塑性變形會降低材料繼續(xù)承受載荷的能力并引起裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展并最終導(dǎo)致斷裂。這種斷裂現(xiàn)象遠(yuǎn)沒有達(dá)到材料及接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，屬于疲勞斷裂，而這種低于設(shè)計(jì)載荷的疲勞斷裂一旦發(fā)生往往是災(zāi)難性的[3]。在此對國產(chǎn)10mm厚A7N01S-T5鋁合金型材焊接接頭的疲勞性能進(jìn)行研究和評價(jià)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料和工藝

試驗(yàn)材料選用國產(chǎn)A7N01S-T5鋁合金擠壓型材，壁厚10mm，焊絲采用SAF生產(chǎn)的直徑φ1.6mm的ER5356焊絲，鋁合金材料（JIS H4100-2006：鋁和鋁合金擠壓型材）和焊絲成分如表1所示。焊接試件采用兩塊尺寸350 mm×150 mm×10 mm的鋁板MIG焊對接而成。

焊機(jī)型號KempArc-350。焊接工藝參數(shù)：電壓23～25 V，電流 210～230 A，焊接速度 42～54 cm/min，保護(hù)氣為99.999%的高純Ar，氣體流速24 L/min。

表1 A7N01S-T5鋁合金及焊絲化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)選取平滑試樣和帶余高試樣，平滑試樣取8個(gè)應(yīng)力級，帶余高試樣取4個(gè)應(yīng)力級，疲勞試樣尺寸如圖1所示。采用PLG-200型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)加載方式為軸向施加載荷法（拉-拉疲勞），應(yīng)力比R=0，工作頻率100～110 Hz，試驗(yàn)溫度20℃～25℃。采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌。

圖1 疲勞試樣尺寸

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

為方便處理數(shù)據(jù)，取疲勞壽命的對數(shù)值作為研究對象，根據(jù)相關(guān)理論和文獻(xiàn)可知，S-N呈直線關(guān)系。擬合前，檢驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的可靠性[4]。即當(dāng)可靠度p=50%時(shí)，在選定的誤差限δ和高置信度γ下，各應(yīng)力級下的試件個(gè)數(shù)是否滿足最低要求，以獲得可靠的結(jié)果，檢驗(yàn)公式如下所示

p=50%，μp=0，對于大小為n的子樣，通過t分布臨界值表可得到tγ，選定γ=90%，δ=6%進(jìn)行檢驗(yàn)，若某一應(yīng)力級下存在對數(shù)疲勞壽命異常點(diǎn)，應(yīng)予以剔除，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)校核。結(jié)果如表2～表4所示。

表2 γ=90%，p=50%，δ=6%時(shí)所需最少試件個(gè)數(shù)

表3 平滑試件數(shù)據(jù)可靠性驗(yàn)證結(jié)果

表4 余高試件數(shù)據(jù)可靠性驗(yàn)證結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 A7N01S-T5平滑接頭疲勞性能

A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的S-N曲線如圖2所示。在置信度為90%、存活率為50%、誤差限為6%的條件下，A7N01S-T5鋁合金平滑接頭的疲勞極限為105 MPa，擬合曲線和實(shí)際值的分布有一定“偏差”。“偏差”主要反映了實(shí)際試驗(yàn)過程中的偶然因素對疲勞壽命產(chǎn)生的影響，如操作誤差、材料均勻性差異等。

在疲勞試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，平滑接頭試件斷裂部位均在焊縫處。選取一個(gè)比較典型的斷口，利用SEM觀察其形貌。疲勞斷口的三個(gè)特征區(qū)域如圖3所示，即疲勞源區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)[5]。圖3a中可以明顯發(fā)現(xiàn)放射紋聚集于離試件表面約200 μm的氣孔處，該氣孔即為疲勞啟裂源，氣孔的存在使得氣孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為焊縫的薄弱區(qū)，在交變載荷作用下產(chǎn)生微觀塑性變形，從而萌生疲勞裂紋[6]并擴(kuò)展，箭頭所指方向即為擴(kuò)展方向。可以看出，裂紋是以不規(guī)則的曲線擴(kuò)展，其擴(kuò)展方向取決于構(gòu)件中的最大應(yīng)力方向。而該試件的疲勞裂紋屬于張開型裂紋，裂紋擴(kuò)展方向垂直于主拉應(yīng)力方向。同時(shí)，裂紋在擴(kuò)展過程中遵循最小能量原則和應(yīng)力原則，裂紋總是趨于耗能最少的方式或阻力最小的方向向前擴(kuò)展，多位于材料缺陷部位或應(yīng)力集中部位[3]。圖3b是擴(kuò)展區(qū)的特征形貌，疲勞輝紋遍布于整個(gè)視野中，其徑向就是放射紋的擴(kuò)展方向，且圖中的疲勞輝紋分布勻稱，該形貌特征多出現(xiàn)在疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)。圖3c是疲勞試樣瞬斷區(qū)的形貌，瞬斷區(qū)出現(xiàn)了大量的等軸韌窩，斷裂機(jī)制為微孔聚集型，且韌窩的尺寸比較均勻。

圖2 A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件S-N曲線

圖3 平滑接頭典型疲勞斷口形貌

圖4 A7N01S-T5鋁合金接頭余高試件S-N曲線

2.2 A7N01S-T5余高接頭疲勞性能

對于帶余高接頭，在相同的頻率和應(yīng)力比下進(jìn)行試驗(yàn)。板厚為10 mm的 A7N01S-T5鋁合金余高接頭試件的S-N曲線如圖4所示。在置信度為90%、存活率為50%、誤差限為6%的條件下，帶余高焊接接頭的疲勞極限值低于平滑接頭，只有75 MPa。

與平滑接頭試樣不同，帶余高接頭試樣斷裂部位均在焊趾處。取帶余高接頭試樣典型斷口進(jìn)行SEM觀察，如圖5所示。圖5a是疲勞源區(qū)，斷口存在多個(gè)疲勞源，這是因?yàn)楹钢翰课淮嬖谟蓭缀涡螤?、尺寸引起的?yīng)力集中，且其對交變載荷十分敏感。同時(shí)焊趾靠近熱影響區(qū)處是余高接頭試件的薄弱區(qū)域，在交變載荷作用下很容易萌生裂紋并迅速擴(kuò)展失效，造成余高接頭較低的疲勞強(qiáng)度。另外還可以看出，余高接頭的疲勞源特征與平滑試件有很大的差別，余高接頭疲勞源處的紋路是“類平行放射紋”，而后者多是“扇形放射紋”。圖5b是穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的形貌，該余高試件的疲勞輝紋凹向單一，并未發(fā)現(xiàn)其他位向的輝紋。結(jié)合疲勞源區(qū)可判斷其為裂紋擴(kuò)展路徑，即箭頭的指向。圖5c是瞬斷區(qū)的形貌，余高接頭與平滑接頭斷口類似，均有大量的等軸韌窩，且斷裂機(jī)制也是微孔聚集型，韌窩尺寸大小不均勻。

圖5 余高接頭疲勞斷口形貌

2.3 分析討論

對比前述帶余高接頭和平滑接頭的疲勞極限，發(fā)現(xiàn)帶余高接頭的疲勞極限明顯低于平滑接頭。這是因?yàn)橥ǔ：附咏Y(jié)構(gòu)的焊縫部位由于存在余高，使截面幾何尺寸在該處發(fā)生突變而產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊趾部位是應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力達(dá)到母材的疲勞極限時(shí)，焊接構(gòu)件發(fā)生疲勞斷裂，因此焊趾部位應(yīng)力集中的存在使焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度大大降低[7-8]。

將焊接接頭的余高去掉，可以消除余高在焊趾處產(chǎn)生的應(yīng)力集中。對于去除余高的平滑件，焊接缺陷是影響疲勞強(qiáng)度的主要原因，如氣孔、夾渣、未焊透等。焊接缺陷之所以會降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其主要原因是焊接缺陷減小了結(jié)構(gòu)的承載橫截面的有效面積，使缺陷周圍產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。焊接結(jié)構(gòu)承受載荷時(shí)，缺陷處的實(shí)際應(yīng)力水平一直維持在較高的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)缺陷處的應(yīng)力高于材料的屈服度時(shí)，就會產(chǎn)生塑性變形，形成早期裂紋，使焊接結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下提前進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，發(fā)生疲勞斷裂，從而降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命[9]。

3 結(jié)論

（1）在置信度為90%、存活率為50%、誤差限為6%的條件下，得到了10 mm厚A7N01S-T5鋁合金平滑接頭的S-N曲線，其疲勞極限為105 MPa。絕大多數(shù)試件斷裂于焊縫處，疲勞源多為焊接缺陷。

（2）在置信度為90%、存活率為50%、誤差限為6%的條件下，得到了10 mm厚A7N01S-T5鋁合金帶余高接頭的S-N曲線，余高接頭的疲勞極限為75 MPa。大多數(shù)試件斷裂于焊趾部位，疲勞源多為焊趾應(yīng)力集中處。

（3）對比A7N01S-T5兩種接頭的疲勞性能，焊接缺陷是影響平滑接頭疲勞極限的主要原因；焊趾處的應(yīng)力集中是影響帶余高接頭疲勞極限的主要原因。

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