多次補(bǔ)焊對(duì)A6N01鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

田志騫，陳東方，馬國龍

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001）

多次補(bǔ)焊對(duì)A6N01鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

田志騫1，陳東方1，馬國龍2

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001）

通過對(duì)多次補(bǔ)焊條件下A6N01鋁合金焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，獲得了不同補(bǔ)焊條件下焊接接頭的條件疲勞極限值以及不同區(qū)域的裂紋擴(kuò)展速率，并分析其疲勞斷口形貌。結(jié)果表明，隨著補(bǔ)焊次數(shù)增加，接頭疲勞極限值減小，三次補(bǔ)焊后其由98.8 MPa下降到89.7 MPa，仍然滿足使用要求；焊縫區(qū)和熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率均增大，但熱影響區(qū)抵抗裂紋疲勞擴(kuò)展能力優(yōu)于焊縫區(qū)。隨補(bǔ)焊次數(shù)增加，焊縫區(qū)氣孔缺陷增多以及熱影響區(qū)過時(shí)效現(xiàn)象加劇是造成焊接接頭疲勞性能下降的主要原因。

鋁合金；補(bǔ)焊；焊接接頭；疲勞性能

0　前言

A6N01鋁合金因具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、焊接性好和易于成型等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于高速列車車體等關(guān)鍵零件的制造[1]。熔化極惰性氣體保護(hù)焊MIG（Metal Inert Gas）是目前高速列車鋁合金車體制造中應(yīng)用最為廣泛的焊接方法[2]。受鋁合金材料物理性質(zhì)的影響，如易氧化、比熱容和熱導(dǎo)率大、熱膨脹系數(shù)高等，焊接過程中常出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，造成接頭力學(xué)性能的下降。補(bǔ)焊成為改善接頭性能、降低成本的重要手段。在高速列車運(yùn)行過程中，鋁合金焊接接頭的失效多是由于受重復(fù)性載荷引起的疲勞破壞[3]。因此，對(duì)鋁合金焊接接頭的疲勞性能的研究受到普遍關(guān)注；多次補(bǔ)焊條件下焊接接頭的疲勞性能尤為重要[4]。本研究系統(tǒng)分析了多次補(bǔ)焊條件下A6N01鋁合金焊接接頭疲勞極限以及不同焊縫區(qū)域的裂紋擴(kuò)展速率，以確定多次補(bǔ)焊對(duì)接頭疲勞性能的影響規(guī)律。

1　試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為A6N01S-T5板材，試件尺寸1 000mm× 200mm×8mm，焊絲選用法國SAF公司的ER5356WY，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　母材及焊絲化學(xué)成分％

試驗(yàn)采用MIG焊焊接母材，保護(hù)氣體為高純氬氣（純度≥99.999％），保護(hù)氣流量25L/min，坡口形式如圖1所示。焊前對(duì)母材進(jìn)行去油和除氧化膜處理以保證焊縫質(zhì)量。為防止焊接變形，在剛性約束條件下進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為：焊接電壓24V，焊接電流235A，焊接速度8.3mm/s。

圖1　焊接接頭坡口形式

焊接及補(bǔ)焊過程如圖2所示。具體順序如下：

圖2　焊接及補(bǔ)焊過程示意

（1）根據(jù)預(yù)定的焊接參數(shù)進(jìn)行初始接頭的焊接：首先焊接焊道A，然后清根，再封底焊接焊道B。

（2）切除焊縫堆高，加工成如圖2b所示的補(bǔ)焊坡口，按如圖2c所示完成第一次補(bǔ)焊。

（3）重復(fù)步驟（2），完成第二次、第三次補(bǔ)焊。

焊縫疲勞性能測(cè)試根據(jù)JISZ3103-1987《熔化焊焊接接頭的反復(fù)拉伸疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行取樣和試驗(yàn)，具體疲勞試驗(yàn)試樣尺寸如圖3所示。高頻疲勞試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，波形為正弦波，應(yīng)力循環(huán)比為0。設(shè)定循環(huán)應(yīng)力加載次數(shù)為時(shí)仍未起裂的應(yīng)力值為條件疲勞極限值。在掃描電子顯微鏡（型號(hào)為HITACHI S-3400N）下觀察疲勞斷口。焊縫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)根據(jù)GB9447-1988《焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》進(jìn)行取樣和試驗(yàn)，測(cè)試采用臺(tái)階型缺口緊湊拉伸（CT）試樣在室溫下進(jìn)行，采用頻率為5 Hz的正弦波額定載荷加載；根據(jù)焊縫橫截面，分別選取焊縫中心、熱影響區(qū)中心位置加工成所需試樣。

圖3　疲勞試件尺寸

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1焊接接頭疲勞極限

根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同循環(huán)載荷作用下應(yīng)力范圍Δσ與疲勞循環(huán)壽命N關(guān)系的S-N曲線，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得條件疲勞極限值，擬合結(jié)果如圖4所示。一次焊接、一次補(bǔ)焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊疲勞曲線擬合公式為

根據(jù)擬合曲線可獲得，一次焊接時(shí)焊縫的疲勞極限為98.8 MPa，一次補(bǔ)焊后疲勞極限為93.6 MPa，二次補(bǔ)焊后疲勞極限為91.0 MPa，三次補(bǔ)焊后疲勞極限為89.7 MPa。結(jié)果表明，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，6N01鋁合金的疲勞極限值逐漸降低；三次補(bǔ)焊后疲勞極限值相比一次焊接下降了9.2％，但仍然滿足規(guī)范要求的疲勞極限值（89 MPa）。

圖4　焊接接頭S-N曲線

2.2疲勞斷口形貌分析

一次焊接焊縫在疲勞裂紋源區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的斷口形貌如圖5所示。疲勞試驗(yàn)表明，一次焊接、三次補(bǔ)焊接頭均在焊縫位置斷裂。從疲勞裂紋源區(qū)的斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋起裂于焊縫表面的氣孔、夾雜等處，隨著循環(huán)載荷的作用，裂紋呈放射狀（見圖5a）向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展。穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)斷口表面比較平坦、缺陷較少，可以明顯觀察到疲勞輝紋，并且輝紋的方向垂直于放射性條紋擴(kuò)展的方向。隨著裂紋的擴(kuò)展，試樣的承載面積逐漸減小，承受的應(yīng)力逐漸增大，發(fā)生瞬間斷裂，其斷口由韌窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成，呈現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征。三次補(bǔ)焊焊縫的斷口形貌如圖6所示，其疲勞裂紋源區(qū)以及穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌與一次焊接斷口基本一致。但是裂紋源區(qū)氣孔數(shù)量增多。圖6c為瞬斷區(qū)的斷口形貌，相比于一次焊接，由于第二相粒子脫落導(dǎo)致的大韌窩數(shù)量明顯較少。

圖5　一次焊接焊縫疲勞斷口形貌

2.3焊接接頭不同區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率

分別測(cè)試一次焊接和不同補(bǔ)焊次數(shù)焊接接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率，根據(jù)Paris公式，繪制了表示應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度關(guān)系的da/dN-ΔK曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合，如圖7所示。對(duì)焊縫區(qū)（見圖7a），一次焊接裂紋擴(kuò)展速率最小，疲勞性能最好；補(bǔ)焊后疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大，使焊接接頭疲勞剩余壽命下降疲勞性能明顯下降，三次補(bǔ)焊后，接頭焊縫區(qū)甚至?xí)^早失效。對(duì)熱影響區(qū)（見圖7b），一次焊接接頭熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率最小，一次補(bǔ)焊對(duì)其影響較小，二次補(bǔ)焊后裂紋擴(kuò)展速率降低，三次補(bǔ)焊后疲勞性能略有提高。

隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊接接頭的裂紋擴(kuò)展速率逐漸增大，疲勞性能下降。相比于焊縫區(qū)，熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率較低，疲勞性能優(yōu)于焊縫區(qū)，因此焊縫區(qū)成為整個(gè)接頭疲勞性能的薄弱部分，這也解釋了疲勞試驗(yàn)接頭均斷裂于焊縫區(qū)的原因。

2.4補(bǔ)焊對(duì)焊接接頭疲勞性能影響機(jī)理分析

隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊接接頭的疲勞性能逐漸下降，這主要與焊縫微觀組織和焊縫缺陷數(shù)量相關(guān)。

A6N01鋁合金型材的熱處理狀態(tài)為T5，母材基本為再結(jié)晶組織，是由ɑ-Al基體以及彌散分布的Mg2Si第二相粒子組成。焊縫區(qū)為細(xì)小等軸晶區(qū)域，由于冷卻速度較快，其中的Mg2Si第二相很少析出，固溶于基體中[5]。在遠(yuǎn)離焊縫的熱影響區(qū)，其溫度會(huì)超過原有的時(shí)效處理溫度，從而出現(xiàn)過時(shí)效現(xiàn)象，Mg2Si第二相粒子會(huì)發(fā)生聚集長(zhǎng)大。焊縫中的主要缺陷為氣孔，若存在于焊縫表面則容易成為裂紋源。

圖6　三次補(bǔ)焊焊縫疲勞斷口形貌

圖7　A6N01鋁合金焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

對(duì)焊縫區(qū)，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊接熔池中存在的缺陷增多，為氣泡的形成提供了條件，增加焊縫中氣孔，裂紋源更容易存在[6]。另一方面，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊縫中殘余應(yīng)力拉應(yīng)力增加，在應(yīng)力幅不變的情況下，殘余拉應(yīng)力的存在提高了平均應(yīng)力水平，也會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。因此，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊縫區(qū)疲勞性能降低。

對(duì)于熱影響區(qū)，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，由于鋁合金熱導(dǎo)率較高，在不斷受到熱循環(huán)的影響下，過時(shí)效的程度加強(qiáng)，范圍也逐漸擴(kuò)大；而第二相粒子對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展具有重要影響。Mg2Si的彈性模量、屈服強(qiáng)度等性能均優(yōu)于基體，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力集中高于基體屈服強(qiáng)度時(shí)即會(huì)產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)基體更容易產(chǎn)生塑性變形，而第二相粒子可以有效抵制裂紋的擴(kuò)展[7]。另一方面，裂紋尖端擴(kuò)展到第二相粒子時(shí)，裂紋尖端微小的塑性變形區(qū)不對(duì)稱，疲勞裂紋會(huì)偏向屈服強(qiáng)度低的基體一側(cè)繼續(xù)擴(kuò)展，使疲勞擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有效裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力減小，降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，提高抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。而隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，熱影響區(qū)中Mg2Si粒子的數(shù)量聚集長(zhǎng)大，數(shù)量減少，其抵抗裂紋擴(kuò)展的幾率減小，從而造成熱影響區(qū)疲勞性能降低。

3　結(jié)論

（1）隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，A6N01鋁合金MIG焊接接頭疲勞極限值逐漸降低；三次補(bǔ)焊后疲勞極限值相比一次焊接下降9.2％，但仍能滿足使用要求。

（2）對(duì)接頭斷裂位置及斷口形貌分析表明，焊縫是接頭疲勞性能的薄弱部分，焊縫表面的氣孔缺陷是發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。

（3）隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率均增大，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力下降。分析表明，焊縫區(qū)缺陷增多以及熱影響區(qū)過時(shí)效現(xiàn)象加劇是造成裂紋擴(kuò)展速率增大的主要原因。

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Influence of multiple repair welding on fatigue properties of A6N01 aluminium alloy

TIAN Zhiqian1，CHEN Dongfang1，MA Guolong2
（1.CSR QingdaoSifangCo.Ltd.，Qingdao266111，China；2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The fatigue tests of A6N01 MIG welding joints with multiple repair welding were conducted in this paper.The fatigue limits and fatigue crack propagation rate were obtained，and the morphology of fatigue fracture was also studied.The results show that the value of fatigue limit decreases with increasing repair welding times；after three times repair welding，the value decreased from 98.8 MPa to 89.7 Mpa，which still can satisfy the use requirement.The fatigue crack propagation rates in weld zones and HAZ zones both increase，but the resistance against crack propagation of HAZ zone is superior to that of weld zones.The reason that multiple repair welding can deteriorate the fatigue properties is mainly attributed to the increase of porosity defect in weld zone and overaging in HAZ zone.

aluminium alloy；repair welding；welding joints；fatigue properties

TG457.14

A

1001－2303（2015）11－0102-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.21

2015-10-13

田志騫（1985—），男，山東青島人，工程師，學(xué)士，主要從事鋁合金焊接技術(shù)方面的工程和研究工作。