基于DIC技術(shù)的6005A－T6鋁合金焊接接頭非均勻循環(huán)變形實(shí)驗(yàn)研究

黃 琰，丁 立，羅會(huì)亮，闞前華

（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031）

引言

6005A鋁合金焊接接頭廣泛應(yīng)用于軌道列車車體制造中［1］。其服役過程中，鋁合金焊接接頭構(gòu)件不可避免地承受交變循環(huán)荷載作用，導(dǎo)致車體焊接構(gòu)件疲勞失效。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金焊接接頭的循環(huán)行為研究主要集中于應(yīng)變控制循環(huán)加載下的循環(huán)軟硬化特征［2］、疲勞壽命預(yù)測(cè)［3］和疲勞裂紋擴(kuò)展方面［4］。但針對(duì)鋁合金焊接接頭在非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下的循環(huán)累積現(xiàn)象，即棘輪行為研究較少。

陳榮康［5］對(duì)6005A鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭試樣進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)，并與母材試樣做了對(duì)比，得到了接頭構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。王敏等［6］對(duì)6005A鋁合金雙絲MIG焊接接頭組織與性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。Xu等［7］研究了7075鋁合金焊接接頭在對(duì)稱應(yīng)變控制循環(huán)荷載下的循環(huán)變形行為，發(fā)現(xiàn)7075鋁合金焊接接頭表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化行為，且隨著應(yīng)變幅值增加，硬化越明顯。何如［8］等研究了鋁合金焊接接頭疲勞裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展以及瞬間斷裂機(jī)理。He等［9］和 Stinville等［10］分別研究了鋁合金和鈦合金焊接接頭應(yīng)變積累演化與疲勞破壞機(jī)制之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)低周疲勞載荷作用時(shí)焊接接頭疲勞失效主要由累積塑性變形造成。

近年來，DIC（Digital Image Correlation）技術(shù)在焊接接頭應(yīng)變分布觀測(cè)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用［11-13］。它通過分析變形前后圖像的系統(tǒng)相關(guān)性，計(jì)算得到位移場(chǎng)和應(yīng)變分布場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非均勻應(yīng)變場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)。Nakata等［14］利用DIC觀測(cè)了應(yīng)變控制疲勞載荷下試樣的局部非均勻應(yīng)變分布及其演變規(guī)律，進(jìn)而研究了焊接接頭的斷裂機(jī)理。Luo等［15］使用 DIC觀察了SUS301L不銹鋼焊接接頭各微區(qū)的循環(huán)變形行為，并獲得了焊接接頭試件實(shí)驗(yàn)過程的變形圖像，非常直觀的觀察到焊接接頭在單軸拉伸和循環(huán)加載過程的應(yīng)變演化規(guī)律。

本文基于DIC方法研究6005A鋁合金激光－MIG復(fù)合焊接接頭試樣和母材試樣在單軸非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下的非均勻應(yīng)變分布和演化規(guī)律。首先觀察了焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材在微觀結(jié)構(gòu)和硬度方面的不均勻性；其次通過單軸拉伸實(shí)驗(yàn)研究了焊接接頭和母材的基本力學(xué)性能；最后研究了焊接接頭在單軸非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下的變形行為，并與母材試樣進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為高速列車車體常用的6005A－T6鋁合金型材，焊絲選用直徑為1.2 mm的ER5356焊絲。

1.2 焊接過程

激光－MIG復(fù)合焊接技術(shù)作為一種逐漸發(fā)展成熟的新興焊接技術(shù)在列車制造、航空航天等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用［16］。6005A－T6型材采用激光－MIG復(fù)合焊接技術(shù)焊接，焊接方向垂直型材軋制方向，保護(hù)氣為Ar（5%）和CO2（5%）。型材規(guī)格為1000 mm×500 mm×120 mm，焊接區(qū)域的板厚為4 mm，坡口形狀、尺寸和型材的截面形貌如圖1所示。

圖1 6005A－T6型材坡口形狀和尺寸

試驗(yàn)所用激光器為額定功率4.2kW的光纖激光器。焊機(jī)采用KmpArc－450脈沖焊接機(jī)，焊機(jī)通過控制送絲速度確定焊接電流和電壓。主要焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 激光－MIG復(fù)合焊接工藝參數(shù)

1.3 拉伸和循環(huán)實(shí)驗(yàn)試樣制備

在焊接性能良好的型材上加工試驗(yàn)試樣。接頭試樣為70 mm×8 mm×3.1 mm的直邊切片試樣，因?yàn)楹附咏宇^強(qiáng)度低于純母材，該直邊切片同狗骨式試樣設(shè)計(jì)類似，可確保焊接試樣失效位置發(fā)生在標(biāo)距段［15］。純母材試樣則專門設(shè)計(jì)了寬14 mm厚3.1 mm的夾持端，標(biāo)距段尺寸為40 mm×8 mm×3.1 mm，保證橫截面積與接頭試樣相同。單軸拉伸和循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，DIC統(tǒng)計(jì)的應(yīng)變區(qū)域可代表焊接接頭整體應(yīng)變分布，進(jìn)而在DIC統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)分區(qū)處理得到焊縫（WZ）、熱影響區(qū)（HAZ）、母材（BM）的應(yīng)變變化。硬度測(cè)試沿垂直于焊道方向的焊接接頭試樣上表面進(jìn)行，即DIC統(tǒng)計(jì)區(qū)域面進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 焊接接頭取樣示意圖

1.4 金相和顯微硬度測(cè)試試樣制備

焊接接頭的金相試樣經(jīng)砂紙研磨后拋光、腐蝕。腐蝕液為新配的體積比為 HF∶HCl∶HNO3∶H2O＝2∶3∶5∶90的混合酸，使用OLYMPUS BX51金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。根據(jù)GB／T4342－1991《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》使用HVS－30型顯微型硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，在板厚中間位置沿焊縫中心向母材進(jìn)行硬度測(cè)試，焊縫和熱影響區(qū)位置10 mm測(cè)點(diǎn)間隔0.5 mm，其他測(cè)試點(diǎn)間隔1 mm。

1.5 拉伸和循環(huán)實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)開始前在試樣表面噴制白底黑漆且分布隨機(jī)的散斑點(diǎn)，作為DIC測(cè)量的參考點(diǎn)。

單軸拉伸和循環(huán)變形實(shí)驗(yàn)在MTSBionix858試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，最大載荷量程為－15kN，實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)為Flex－Test 40。DIC測(cè)量系統(tǒng)為GOM公司的ARAMIS5M，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。分別對(duì)接頭試樣和純母材試樣進(jìn)行拉伸速率為0.14 mm／s的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，通過DIC處理得到焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)、母材區(qū)和純母材的單軸拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

材料在非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生循環(huán)塑性變形的累積，這種塑性變形的累積現(xiàn)象稱為棘輪效應(yīng)，棘輪效應(yīng)可通過棘輪應(yīng)變?chǔ)舝度量［15］：

其中，εmax和εmin分別為每一個(gè)循環(huán)中響應(yīng)的最大應(yīng)變和最小應(yīng)變值。

基于單軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制定非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)工況（表2）。

表2 非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織和顯微硬度

6005A激光－MIG復(fù)合焊焊接接頭區(qū)域沿焊縫方向分為母材區(qū)（BM）、焊縫（WZ）、熱影響區(qū)（HAZ）。接頭區(qū)域觀察到的顯微組織如圖3所示。圖3（d）為焊縫－熱影響區(qū)交界處，即焊縫融合線形貌。

由圖3可知，6005A－T6型材焊接接頭焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織，中心部位晶粒粗大，呈等軸晶組織，邊部則呈柱狀晶組織；半熔化區(qū)晶粒非常細(xì)小，呈細(xì)小的等軸晶組織；6005A基材為完全再結(jié)晶組織，晶粒非常細(xì)小，化合物被破碎并沿型材擠壓方向（縱向）成行排列；熱影響區(qū)內(nèi)晶粒明顯粗化；熔合區(qū)靠基材一側(cè)組織呈等軸晶組織，靠焊縫一側(cè)晶粒沿散熱方向呈柱狀晶；焊接接頭的焊縫區(qū)為典型的樹枝狀晶的鑄造組織。

圖3 激光－MIG焊接接頭金相組織

6005A激光－MIG復(fù)合焊焊接接頭試樣的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。焊接接頭顯微硬度沿著焊縫中心線呈對(duì)稱分布。焊縫中心處和熱影響區(qū)軟化區(qū)硬度較低，熱影響區(qū)硬度變化較大，最低硬度為約為HV63，最高約為HV99。

圖4 焊接接頭顯微硬度

2.2 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)、母材區(qū)域可通過觀察接頭的金相組織和顯微硬度分布來區(qū)分。文獻(xiàn)［17-18］通過硬度分布劃分焊縫、熱影響區(qū)和母材。Saranath［19］和Luo［15］提出了利用 DIC實(shí)測(cè)應(yīng)變場(chǎng)表征接頭區(qū)域（焊縫、熱影響區(qū)、母材）的方法。如圖5（a）所示，焊接接頭被近似分成焊縫、熱影響區(qū)和母材三部分，在單拉應(yīng)變場(chǎng)中選擇線段（L1）單拉過程的軸向應(yīng)變與該位置硬度測(cè)試段L2的顯微硬度做比較，可以發(fā)現(xiàn)硬度值與應(yīng)變變化的對(duì)應(yīng)性，如圖5（b）所示。

圖5 焊接接頭應(yīng)變場(chǎng)分布與顯微硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

焊縫和熱影響區(qū)的顯微組織、顯微硬度和應(yīng)變場(chǎng)不均勻?qū)?dǎo)致熱影響區(qū)（淬火區(qū)和軟化區(qū)）內(nèi)軟化行為的不均勻［20］。通過DIC實(shí)測(cè)應(yīng)變場(chǎng)表征的接頭區(qū)域（焊縫、熱影響區(qū)、母材）應(yīng)變值實(shí)際上為焊縫、熱影響區(qū)和母材的平均應(yīng)變，即對(duì)焊縫、熱影響區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均化處理。

6005A－T6鋁合金焊接接頭整體、焊縫、熱影響區(qū)與純母材試件單軸拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖6所示，加載速率為0.14 mm／s。焊接接頭和純母材拉伸性能見表3。由表3可知，鋁合金母材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于焊縫和熱影響區(qū)，直至接頭試件在斷裂前，母材一直處于彈性變形階段。

表3 6005A－T6鋁合金焊接接頭的拉伸性能

圖6 焊接接頭微區(qū)和純母材單拉應(yīng)力應(yīng)變曲線

接頭拉伸應(yīng)力不到100 MPa時(shí)，焊接接頭各微區(qū)都處于彈性變形階段。拉伸應(yīng)力在100 MPa～190 MPa之間時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)承擔(dān)該階段拉伸過程的主要變形，隨著拉伸進(jìn)行，熱影響區(qū)應(yīng)變場(chǎng)急劇變化，直至斷裂。焊接接頭組織和硬度分布的不均勻性與之對(duì)應(yīng)，接頭單軸拉伸過程中應(yīng)變演化也呈現(xiàn)出不均勻性，熱影響區(qū)和焊縫是焊接接頭的薄弱區(qū)域，拉伸斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)內(nèi)，如圖7所示。

圖7 單調(diào)拉伸時(shí)焊接接頭應(yīng)變場(chǎng)分布

2.3 單軸非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)

6005A－T6鋁合金焊接接頭在45±140 Pa加載水平、純母材在45±210 MPa加載水平的非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。根據(jù)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，接頭試樣微區(qū)在45±140 Pa加載水平下進(jìn)入塑性變形階段，母材在45±140 MPa時(shí)仍處于彈性變形階段，不能揭示母材進(jìn)入塑性屈服后的循環(huán)變形特征。因此，補(bǔ)充了純母材試件在45±210 MPa加載水平下的循環(huán)變形實(shí)驗(yàn)。由圖8可知，接頭試件隨著循環(huán)周次的增加，應(yīng)力－應(yīng)變循環(huán)滯回環(huán)基本保持不變，一直保持循環(huán)安定狀態(tài)，幾乎沒有棘輪變形。而純母材在非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載 下塑性累積十分明顯。

圖8 焊接接頭和純母材非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步提取棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次演化曲線，如圖9所示。

圖9 棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次演化

由圖9可知，焊縫、熱影響區(qū)和焊接接頭整體上均表現(xiàn)出棘輪安定狀態(tài)，即棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的增加幾乎不增加。純母材在非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下的棘輪應(yīng)變則隨著循環(huán)周次的增加迅速增加。觀察非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下焊接接頭應(yīng)變場(chǎng)分布可知，應(yīng)力循環(huán)加載條下熱影響區(qū)和焊縫主導(dǎo)了焊接接頭的塑性變形。同單軸拉伸結(jié)果類似，熱影響區(qū)、焊縫區(qū)內(nèi)的應(yīng)變場(chǎng)分布不均勻，焊縫和熱影響區(qū)的應(yīng)變明顯高于母材區(qū)，如圖10所示。

圖10 非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下焊接接頭應(yīng)變場(chǎng)分布

Luo［15］研究應(yīng)力循環(huán)下載 SUS301L不銹鋼激光－MIG復(fù)合焊接接頭的棘輪行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊縫主導(dǎo)了焊接接頭的塑性變形。在以ER308L做填充焊縫的條件下，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和焊接接頭整體上均產(chǎn)生了明顯的棘輪變形。然而，對(duì)于6005A－T6鋁合金焊接接頭，以ER5356為填充焊料，在焊縫和熱影響區(qū)為主導(dǎo)作用下的接頭整體上表現(xiàn)出循環(huán)安定特征。這意味著，對(duì)于焊接接頭這類異質(zhì)材料，焊接接頭的循環(huán)塑性累積取決于填充焊料。選取合適的填充焊料，焊接接頭將出現(xiàn)棘輪安定現(xiàn)象。對(duì)于疲勞失效而言，棘輪安定現(xiàn)象抑制了循環(huán)塑性變形的累積，不僅可以保證焊接件尺寸不超標(biāo)，而且可以降低疲勞損傷的累積，間接提升焊接接頭的抗疲勞能力。

3 結(jié)束語

結(jié)合焊接接頭的顯微組織和顯微硬度分析結(jié)果，驗(yàn)證了DIC應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量方法可用于測(cè)量出6005A－T6鋁合金焊接接頭各分區(qū)的平均應(yīng)變分布，可直觀地觀察到焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)、母材在單調(diào)拉伸和應(yīng)力循環(huán)加載下的應(yīng)變場(chǎng)演化。6005A－T6鋁合金焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)、母材單調(diào)拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線差異較大，母材屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于焊縫和熱影響區(qū)。6005A－T6鋁合金焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)在非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下均表現(xiàn)出循環(huán)安定特征，純母材則具有明顯的棘輪變形行為。作為一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)件，母材屈服強(qiáng)度較焊縫和熱影響區(qū)大，應(yīng)力循環(huán)加載條下熱影響區(qū)和焊縫主導(dǎo)了焊接接頭的塑性變形，焊接接頭整體上表現(xiàn)出循環(huán)安定狀態(tài)，這為進(jìn)一步研究焊接接頭的疲勞失效提供了重要參考。下一步的研究工作將重點(diǎn)考慮不同填充焊料的焊接接頭疲勞失效壽命，揭示焊接接頭結(jié)構(gòu)疲勞與焊接工藝和加載條件的聯(lián)系。

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