6005A鋁合金焊接接頭預(yù)腐蝕對其疲勞性能的影響

萬　里，劉　建，楊曉益，王秋影

（1.中車青島四方機(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）

6005A鋁合金焊接接頭預(yù)腐蝕對其疲勞性能的影響

萬里1，劉建1，楊曉益2，王秋影2

（1.中車青島四方機(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）

6005A鋁合金廣泛用于高速列車的生產(chǎn)。通過對4 mm厚6005A鋁合金焊接接頭進(jìn)行預(yù)腐蝕試驗(yàn)及疲勞性能測試，研究不同預(yù)腐蝕等級下6005A鋁合金焊接接頭的疲勞壽命及預(yù)腐蝕對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，6005A鋁合金焊接接頭經(jīng)預(yù)腐蝕后，腐蝕最嚴(yán)重的為熔合線，其次為母材，焊縫腐蝕程度最輕；與未腐蝕試樣相比，預(yù)腐蝕試樣的疲勞極限有一定降低；預(yù)腐蝕后焊接接頭斷裂均在熔合線；斷口疲勞源區(qū)可發(fā)現(xiàn)類解理河流、臺階花樣及擦傷痕跡，疲勞擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)明顯疲勞條帶。

6005A鋁合金；焊接接頭；預(yù)腐蝕；疲勞強(qiáng)度

0　前言

焊接是高速列車車體集成的關(guān)鍵技術(shù)，焊接接頭的可靠性決定著高速列車車體運(yùn)行的安全可靠性[1-2]。影響焊接接頭可靠性的主要因素是列車運(yùn)行時動載作用下接頭的疲勞性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金結(jié)構(gòu)件中90％的斷裂是由焊接接頭承受重復(fù)性動載的焊接接頭的疲勞破壞引起的，并且構(gòu)件的疲勞失效往往是突發(fā)的、災(zāi)難性的，是引發(fā)安全事故的重要原因[3-6]。我國高速列車的線路運(yùn)行狀況比較惡劣，高速列車車體底部以及型材內(nèi)部等表面涂裝較差的部位容易產(chǎn)生擦傷等缺陷，在外加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的共同作用下，極易發(fā)生腐蝕損傷。

鞏發(fā)彤等人的研究表明6005A鋁合金焊接接頭在0.1M NaCl、0.1M Na2SO4和0.1M NaNO3溶液中的腐蝕速率順序?yàn)閂Cl-＞VSO42-＞VNO3-[7]。衣林等人的研究表明LY12CZ鋁合金材料在腐蝕溶液中容易產(chǎn)生腐蝕坑，形成腐蝕損傷。其損傷程度受到腐蝕時間和腐蝕溫度的影響，隨著腐蝕時間的增加或腐蝕溫度的提高，試驗(yàn)件腐蝕坑深度和寬度逐漸增大，小的腐蝕坑逐漸匯合成更大的損傷區(qū)域，腐蝕情況加重[8]。閆德俊等人研究鋁合金焊接接頭疲勞裂紋的擴(kuò)展性后指出，焊接接頭三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率不同：母材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最小，熱影響區(qū)與焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比較接近[9]。

目前，國內(nèi)外在針對鋁合金焊接接頭的腐蝕疲勞性能研究方面，特別是針對高速列車鋁合金焊接接頭腐蝕疲勞性能的研究仍處于起步階段。在此旨在研究不同預(yù)腐蝕等級下6005A鋁合金焊接接頭的疲勞壽命，研究預(yù)腐蝕對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響，為高速列車運(yùn)行的安全可靠性提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑楹? mm的6005A鋁合金，焊絲為ER5356焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。母材的抗拉強(qiáng)度為276 MPa。

表1　母材與焊絲的化學(xué)成分％

1.2焊接工藝

采用單脈沖MIG焊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，焊接保護(hù)氣為氬氣，開V型坡口，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2　焊接工藝參數(shù)

1.3預(yù)腐蝕及疲勞試驗(yàn)

在6005A鋁合金型材上按GB3075-82截取疲勞試樣，如圖1所示。打磨、拋光試樣，并進(jìn)行X射線探傷，用丙酮除油污后進(jìn)行浸泡腐蝕試驗(yàn)，腐蝕液采用濃度為5％，即50±5 g/L的氯化鈉溶液。采用浸泡方法制備不同腐蝕等級的焊接接頭，浸泡時間分別為5 d、10 d、20 d。預(yù)腐蝕結(jié)束后，將試樣吹干，用蔡司A1m數(shù)碼金相顯微鏡觀察腐蝕形貌。之后，按GB/T 16545-1996清除腐蝕產(chǎn)物。清除腐蝕產(chǎn)物后，用清水沖洗干凈，并用丙酮清洗，吹干后用蔡司A1m顯微鏡觀察去除腐蝕產(chǎn)物后腐蝕形貌。

圖1　疲勞試樣尺寸

使用QBG-100疲勞試驗(yàn)機(jī)對預(yù)腐蝕試樣實(shí)施軸向力拉伸（正弦波）疲勞試驗(yàn)，所用拉應(yīng)力有7組，其中σ1=0.6σb=109.7 MPa，σ2=0.5σb=91.4 MPa，σ3= 0.4σb=73.1 MPa，σ4=0.3σb=54.9 MPa，σ5、σ6、σ7根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，其余試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3　疲勞試驗(yàn)參數(shù)

此后根據(jù)斷裂時的循環(huán)次數(shù)，依次將應(yīng)力遞減5％～10％直至找到疲勞極限為止。分析不同腐蝕等級對6005A鋁合金焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響。采用XTL-340E體視顯微鏡、HITACHI JSM-6490LV掃描電子顯微鏡觀察分析疲勞斷口形貌，并進(jìn)行分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1腐蝕形貌

在未去除腐蝕產(chǎn)物的條件下，用顯微鏡對試件進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)：腐蝕5 d后，試樣表面出現(xiàn)團(tuán)絮狀形貌；腐蝕20 d后，試樣表面出現(xiàn)團(tuán)絮狀形貌及大塊黑色腐蝕坑，并發(fā)現(xiàn)有樹枝狀形貌，如圖2所示。由圖2可知，熔合線腐蝕最為嚴(yán)重，這是因?yàn)槿酆暇€是焊縫金屬與母材的分界線，熔合線附近的區(qū)域存在著顯著的物理化學(xué)不均勻性，是性能變化及產(chǎn)生缺陷的敏感部位。

去除表面腐蝕產(chǎn)物后，腐蝕5 d、10 d和20 d試樣表面的形貌如圖3所示。由圖3可知，腐蝕5d后，接頭熔合線處出現(xiàn)少量腐蝕坑，腐蝕10 d、20 d后，接頭熔合線處有較多腐蝕坑。腐蝕同一天數(shù)后，熔合線腐蝕最為嚴(yán)重，其次為母材，焊縫腐蝕最輕。

2.2疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過疲勞試驗(yàn)，得到三個不同腐蝕等級下的厚4 mm的6005A鋁合金接頭平滑試件的疲勞數(shù)據(jù)。不同預(yù)腐蝕等級下6005A鋁合金接頭平滑試件的S-N曲線如圖4所示。

由圖4可知，7個應(yīng)力級對應(yīng)的疲勞斷裂時的斷裂次數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)十分吻合指數(shù)分布，符合S-N曲線規(guī)律。同時測得，腐蝕5 d、10 d和20 d的疲勞極限分別為59.4 MPa、54.9 MP和54.9 MPa，與未腐蝕試樣疲勞極限（62.5 MPa）相比，腐蝕5 d的疲勞極限稍有降低，腐蝕10 d、20 d的疲勞極限則有更大降低。應(yīng)力級為109.7 MPa時，預(yù)腐蝕5 d、10 d、20 d后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)分別為62300、44 800、42 100?？梢婋S著腐蝕時間的增加，循環(huán)次數(shù)減小，疲勞強(qiáng)度降低。這是由于預(yù)腐蝕之后產(chǎn)生的腐蝕坑相當(dāng)于微觀缺口，它能夠提高局部的應(yīng)力水平，產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)該試件受到交變載荷作用時，疲勞裂紋容易在腐蝕坑附近萌生，同時伴隨出現(xiàn)多個疲勞源，降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。結(jié)合如圖3所示不同預(yù)腐蝕等級下接頭熔合線的腐蝕形貌可知，預(yù)腐蝕時間越長，接頭疲勞強(qiáng)度降低越多。

圖2　腐蝕20天未去除產(chǎn)物形貌

圖3　不同腐蝕等級下熔合線的腐蝕形貌

2.3疲勞斷口分析

觀察不同腐蝕等級下鋁合金焊接接頭試件疲勞斷口的SEM形貌可知，不同接頭均斷裂在接頭的熔合線，且同一斷口上有多個疲勞源，這是因?yàn)槿酆暇€是接頭性能變化及產(chǎn)生缺陷的敏感部位。從預(yù)腐蝕形貌可知，熔合線腐蝕最為嚴(yán)重，試件斷裂位置均在熔合線；預(yù)腐蝕使試件表面出現(xiàn)腐蝕坑，腐蝕坑的出現(xiàn)會增加疲勞源的數(shù)量。觀察6005A鋁合金焊接接頭試件疲勞斷口的SEM形貌，如圖5所示，可以在斷口疲勞源區(qū)發(fā)現(xiàn)類解理河流、臺階花樣等形貌，在裂紋擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)疲勞條帶。

圖4　不同預(yù)腐蝕等級下6005A鋁合金接頭平滑試件S-N曲線

圖5　腐蝕20 d應(yīng)力級為109.7 MPa時6005A鋁合金接頭斷口形貌

3　結(jié)論

對4 mm厚6005A鋁合金焊接接頭進(jìn)行預(yù)腐蝕試驗(yàn)及疲勞性能測試，并分析測試結(jié)果可知：

（1）預(yù)腐蝕5 d、10 d、20 d之后，腐蝕最嚴(yán)重的為熔合線，其次為母材，焊縫腐蝕最輕。

（2）預(yù)腐蝕5 d后的疲勞極限為59.4 MPa，與未腐蝕試樣疲勞極限（62.5 MPa）相比有一定降低，預(yù)腐蝕時間增加到10 d和20 d后疲勞極限均降為54.9 MPa。

（3）不同預(yù)腐蝕程度的焊接接頭斷裂均在熔合線。斷口疲勞源區(qū)可發(fā)現(xiàn)類解理河流、臺階花樣及擦傷痕跡，疲勞擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)明顯疲勞條帶。

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骨架法提取磁光圖像焊縫中心線具有更準(zhǔn)確的跟蹤性能，其誤差最大值為0.068 8 mm，誤差最小值接近零，系統(tǒng)的平均誤差為0.018 6 mm，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.0116mm，測量誤差各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均優(yōu)于Canny法。

5　結(jié)論

（1）對于磁光傳感器采集到的焊縫圖像，采用自適應(yīng)中值濾波能夠在保留完整的焊縫邊緣細(xì)節(jié)的同時有效去除噪聲，增強(qiáng)了焊縫圖像的整體對比度。

（2）對中值濾波后的焊縫圖像采用改進(jìn)的Otsu法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開-閉運(yùn)算并用，能夠準(zhǔn)確地將焊縫圖像分割成焊縫區(qū)域和母材區(qū)域。

（3）對焊縫二值化圖像，采用骨架法可準(zhǔn)確提取出焊縫中心，便于后期缺陷檢測工作的順利進(jìn)行。

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Influence of pre-corrosion of 6005A aluminum alloy on fatigue performance

WAN Li1，LIU Jian1，YANG Xiaoyi2，WANG Qiuying2
（1.CRRC Qingdao Sifang Locomotive Vehicle Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

6005A aluminum alloy is wildly used for manufacture of high speed trains.This paper has researched the fatigue performance of 6005A aluminum alloy welded joints which are in different pre-corrosion degrees and the influence of pre-corrosion of 6005A aluminum alloy on fatigue performance，through pre-corrosion test and fatigue test for 4 mm thick 6005A aluminum alloy joints.The results show that after pre-corrosion test，fusion line is corroded most,secondly for base metal，and weld the slightest；comparing noncorrosion samples，the reduce tendency of fatigue performance difference between pre-corrosion samples and non-corrosion samples is slight；all facture of welded joints which are after pre-corrosion test is in fusion line；there are cleavage rivers，bent lines and abrasion traces in fatigue source region of fracture，obvious fatigue striation in fatigue propagation region also.

6005A aluminum alloy；welded joint；pre-corrosion；fatigue performance

TG457.14

A

1001－2303（2016）03－0127-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.27

2014－08－14

萬里（1977—），男，遼寧錦州人，高級工程師，主要從事高速列車和地鐵車輛制造技術(shù)的研究工作。