異種鋁合金角接接頭低周疲勞特性試驗研究

張海陽 金 一 張 梅

(1.上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804; 2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

在汽車輕量化的發(fā)展形勢下，鋁制汽車構(gòu)件由于比強度高、質(zhì)量輕，在汽車工業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1]。雖然鋁合金的焊接有諸多難點，但由于其獨特的性能，研究者在不斷嘗試優(yōu)化焊接技術(shù)[2]。汽車行業(yè)主要采用焊接技術(shù)連接復(fù)雜構(gòu)件，接頭的疲勞性能決定構(gòu)件的使用壽命[3]。角接接頭是常用的焊接接頭之一，但目前國內(nèi)外鮮有對異種鋁合金角接接頭低周疲勞性能的研究報道。因此，本文對異種鋁合金角接接頭進行低周疲勞特性的試驗研究具有重要的工程意義。

冷金屬過渡焊(cold metal transition, CMT)是一種新型焊接技術(shù)，焊接過程中能將送絲與熔滴過程進行數(shù)字化協(xié)調(diào)控制，具有熱量輸入小、無起弧飛濺等優(yōu)點，在鋁鋼焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。Gungor等[5]采用CMT技術(shù)實現(xiàn)了5083與6082異種鋁合金的焊接，相比其他焊接方式如氣體保護焊、攪拌摩擦焊等，CMT接頭的抗拉強度更高。本文選用6082- A356兩種常用的鋁合金。6082為擠壓熱處理鋁合金，其比強度高、成形性能好[6]；A356為傳統(tǒng)的鑄造鋁合金，其流動性好，常用于汽車、航空航天工業(yè)的復(fù)雜鑄件[7]。采用CMT技術(shù)將以上兩種經(jīng)T6處理的鋁合金進行角接焊，再取樣進行低周疲勞試驗，以獲得E-N曲線和低周疲勞壽命與應(yīng)變幅之間的關(guān)系。

1 試驗材料與方法

將尺寸為5 mm×200 mm×200 mm的T6態(tài)6082鋁板和尺寸為15 mm×100 mm×150 mm的A356鋁板進行冷金屬過渡(CMT)角接焊， CMT焊接參數(shù)： 焊接電流/電壓為265 A/19.5 V，焊接速度65 cm/min，送絲速度4.3 m/min，脈沖修正-0.2。

將焊后試樣線切割加工成厚3 mm的疲勞試樣，加工時確保焊縫處于疲勞試樣的中心，如圖1所示。根據(jù)GB/T 15248—2008[8]，采用軸向應(yīng)變控制，保持頻率1 Hz及應(yīng)變比R=-1恒定，三角波加載，在MTS- 6730型電液伺服疲勞試驗機上對試樣進行應(yīng)變幅為0.25%～0.40%的低周疲勞試驗。

圖1 角接接頭低周疲勞試樣

對焊后接頭進行剖切，經(jīng)打磨、拋光后，用體積分數(shù)為10%的NaOH溶液腐蝕，然后用焊接熔深分析儀檢測焊縫熔深。采用102.5 mm×20 mm非標準拉伸試樣，在Zwick/Roell Z100試驗機上進行拉伸試驗。用MH- 3 型硬度計測定熔合線兩側(cè)的顯微硬度，試驗力為250 g。

2 角接接頭組織和性能

2.1 宏觀形貌

角接接頭宏觀形貌見圖2。焊縫熔深為3.1 mm，滿足焊接工藝設(shè)定的熔深要求。

圖2 角接接頭宏觀形貌

2.2 微觀形貌

角接接頭微觀組織如圖3所示，焊縫可分為3個區(qū)域，分別是熱影響區(qū)、熔融區(qū)與焊縫。A356鋁合金側(cè)熔融區(qū)為共晶組織，熱影響區(qū)顯微組織與母材相似，均為α- Al基體。

圖3 角接接頭顯微組織

2.3 拉伸性能及顯微硬度

角接接頭的拉伸試驗結(jié)果表明，接頭失效峰值載荷可達8.5 kN，斷后伸長率可達4%。焊接接頭試樣斷裂于焊址部位。

接頭的焊縫、 焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)及母材的硬度如圖4所示。其中熱影響區(qū)由于晶界液化硬度較低。

圖4 角接接頭的顯微硬度分布

試驗結(jié)果表明：CMT焊接工藝得到的異種鋁合金角接接頭成形良好，缺陷較少，能滿足技術(shù)要求。

3 角接接頭低周疲勞特性

3.1 疲勞試驗數(shù)據(jù)

表1 6082- A356角接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)Coffin- Manson- Basquin公式(式(1)、式(2))，對表1中應(yīng)變疲勞數(shù)據(jù)進行線性擬合。

(1)

(2)

式(1)與式(2)兩邊取對數(shù)，得到式(3)和式(4)。對式(3)、式(4)進行線性擬合，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5中擬合直線的斜率與截距，得到疲勞延性系數(shù)εf′、疲勞延性指數(shù)c、疲勞強度系數(shù)σf′、疲勞強度指數(shù)b。

(3)

(4)

在雙對數(shù)坐標系中對塑性應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅與壽命反復(fù)數(shù)的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到的應(yīng)變疲勞參數(shù)如表2所示，總應(yīng)變幅與壽命反復(fù)數(shù)之間的關(guān)系如式(5)所示。

表2 6082- A356角接接頭的低周疲勞參數(shù)

(5)

圖和擬合直線

3.2 應(yīng)變- 疲勞曲線

將擬合得到的角接接頭應(yīng)變疲勞參數(shù)代入式(5)，得到應(yīng)變- 壽命關(guān)系的預(yù)測方程見式(6)，拉伸試驗得到的彈性模量E=6.85×104MPa。繪制應(yīng)變- 壽命曲線如圖6所示，虛線和實線分別為彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅對壽命反復(fù)數(shù)的擬合直線，曲線為總應(yīng)變幅- 壽命反復(fù)數(shù)的預(yù)測曲線。從應(yīng)變- 壽命曲線可以看出，隨著應(yīng)變幅的增大，疲勞壽命呈冪級數(shù)降低，并且在循環(huán)加載初期由塑性應(yīng)變幅控制轉(zhuǎn)變?yōu)樵谘h(huán)后期由彈性應(yīng)變幅控制。

圖6 Δεt、Δεe、Δεp-(2Nf)擬合曲線

(6)

由應(yīng)變- 壽命曲線可見，根據(jù)Manson- Coffin- Basquin[10]方程擬合得到的曲線與真實數(shù)據(jù)之間的置信度較高，可用來指導(dǎo)材料使用壽命設(shè)計。

3.3 應(yīng)變疲勞參數(shù)

將應(yīng)變- 壽命曲線擬合相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)列入表3中。

表3 6082- A356角接接頭疲勞應(yīng)變- 壽命曲線參數(shù)

4 結(jié)論

(1)6082擠壓鋁合金與A356鑄造鋁合金的CMT焊角接接頭的外觀良好,缺陷較少，焊縫熔深和力學(xué)性能等均滿足技術(shù)要求。

(2)根據(jù)Manson- Coffin- Basquin公式計算了角接接頭的疲勞特性參數(shù)：疲勞強度系數(shù)σf′為425.4 MPa，疲勞強度指數(shù)b為-0.114；疲勞延性系數(shù)εf′為0.093，疲勞延性指數(shù)c為-0.707；循環(huán)強度系數(shù)K′為303，循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′為0.072。

(3)建立了該焊縫材料的低周疲勞壽命預(yù)測公式，為：