一、二次補焊對高速列車用鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

鈕旭晶，許鴻吉，劉春寧，謝 明，魯二敬

(1.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035；2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

一、二次補焊對高速列車用鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

鈕旭晶1，2，許鴻吉2，劉春寧1，謝 明2，魯二敬1，2

(1.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035；2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

6082鋁合金是高速列車車體的主要材質(zhì)，因其焊接時易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，必須進行焊接返修予以清除。深入研究補焊工藝和補焊次數(shù)對焊接接頭疲勞性能的影響。通過脈動拉伸疲勞試驗研究一、二次補焊6082鋁合金焊接接頭疲勞性能，并與未補焊的接頭疲勞強度進行比較。結(jié)果表明，一次補焊后焊接接頭的中值疲勞強度顯著下降；二次補焊的焊接接頭中值疲勞強度比一次補焊時略有下降；二次補焊對6082鋁合金焊接接頭疲勞性能有一定的影響。

6082鋁合金；補焊；焊接接頭；疲勞性能

0 前言

客車輕量化是高速客車發(fā)展的關(guān)鍵之一，采用鋁合金材料可大幅度減輕車體自重，從而提高車輛的速度，降低運能消耗，減輕對線路的磨耗和沖擊，減少振動和噪聲，增加機車車輛和線路的使用壽命。目前，全焊接鋁合金車體已廣泛應用于我國鐵路車輛動車組制造業(yè)及城市軌道交通設備制造業(yè)[1]。6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系，是一種可熱處理強化的變形鋁合金，具有成形性好、耐腐蝕性強、強度高等良好的綜合性能，成為高速列車車體焊接的主要材料[2]。

因焊接結(jié)構(gòu)自身特點，一些焊件結(jié)構(gòu)在制造和安裝過程中不可避免地產(chǎn)生許多焊接缺陷，導致焊縫大量返修甚至多次返修[3]。補焊已成為焊接技術(shù)研究的熱點之一，有著重要的工程意義和顯著的經(jīng)濟效益。在此以一、二次補焊6082鋁合金焊接接頭為研究對象，與未補焊的焊接接頭中值疲勞強度進行比較，研究一、二次補焊對接頭疲勞性能的影響，為我國高速列車車體的實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗母材為6082鋁合金，固溶處理+人工時效狀態(tài)供貨，試板尺寸350 mm×150 mm×8 mm。焊接材料選用φ 1.2 mm的Al5087實心焊絲。母材與焊絲的化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

表1 母材與焊絲的化學成分Tab.1 Chemical composition of the experimental materials %

表2 母材與焊絲的力學性能Tab.2 Mechanical properties of the experimental material

1.2 焊接工藝試驗

補焊時采用機械加工方法剔除原有焊縫，距熔合線留1 mm余量，保留焊接前的坡口形狀，按照正常焊接參數(shù)進行補焊。焊接坡口角度70°，采用永久性鋁合金墊板，間隙2～4 mm。焊前坡口用角磨機打磨露出金屬光澤，D40清洗去油污，焊接電源為Fronius VR4000逆變數(shù)字自動化焊機，保護氣體為φ(He)30%+φ(Ar)70%+φ(N2)0.015%(適量的N2能夠穩(wěn)定電弧、增加熔深)，氣體流量18 L／min。焊接順序如圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

圖1 焊接順序Fig.1 Sequence of welding

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding procedure parameters of specimens

1.3 脈動拉伸疲勞試驗

試驗參照GB／T 13816-92《焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法》進行。疲勞試驗試件尺寸如圖2所示，疲勞試驗前需將墊板去掉且加工掉1 mm，正面焊縫去掉加強高并打磨。焊縫兩端各減少20 mm。試驗設備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，技術(shù)規(guī)格為：靜態(tài)負荷精度±1%，動負荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±2%，循環(huán)應力比R＝0.1，指定循環(huán)壽命1×107次。在試驗過程中，當疲勞裂紋尺寸足夠大導致載荷加不上去時，自動卸載停振，并記錄循環(huán)次數(shù)，通過升降法計算焊接接頭的中值疲勞強度并在JSM-6360M型電子掃描電鏡下進行疲勞斷口形貌觀察。

圖2 疲勞試驗加工件Fig.2 Work pieces of fatigue test

2 試驗結(jié)果和討論

在指定壽命為1×107次循環(huán)下，通過升降法確定6082鋁合金未補焊、一次補焊、二次補焊的中值疲勞強度。對于未補焊的疲勞試驗，共有6級應力水平，有效試件數(shù)13個，共有5個子樣對；對于一次補焊的疲勞試驗，共有4級應力水平，有效試件數(shù)為15個，共有6個子樣對；對于二次補焊的疲勞試驗來說，共有5級應力水平，有效試件數(shù)為19個，有9個子樣對，如圖3所示。

由圖3可分別計算出未補焊、一次補焊和二次補焊的中值疲勞強度。未補焊的中值疲勞強度為87.5MPa，一次補焊的中值疲勞強度68.3 MPa，二次補焊的中值疲勞強度62.5 MPa。由此可知，一次補焊時中值疲勞強度顯著下降，比未補焊接頭低19.2 MPa，二次補焊相對于一次補焊疲勞強度略有下降，為5.8 MPa。不同補焊次數(shù)下6082鋁合金焊接接頭疲勞強度的S-N曲線如圖4所示。

圖3 不同補焊次數(shù)下的疲勞極限升降(×斷裂，○未斷裂)Fig.3 Different times of rewelding conditions fatigue limit lift figure

圖4 不同補焊次數(shù)焊接接頭疲勞中值S-N曲線對比Fig.4 Different times of rewelding conditions joint fatigue median S-N curve contrast

采用JSM-6360M型電子掃描電鏡分別對未補焊和一、二次補焊的6082鋁合金焊接接頭疲勞試件斷口進行觀察，斷口形貌如圖5～圖7所示。可以看出，斷口均明顯分成疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)三部分。大部分試樣在熱影響區(qū)起裂，從斷裂開始點向四周輻射出類似貝殼紋的疲勞裂紋，每經(jīng)歷一次加載循環(huán)，裂紋尖端即經(jīng)歷一次銳化—鈍化—再銳化的過程，裂紋擴展一段距離，斷口表面上就產(chǎn)生一道輝紋，疲勞輝紋清晰且很粗；隨著裂紋的擴展，試件的承載面積逐漸減小，相應地所受到的載荷逐漸增大，導致擴展區(qū)疲勞輝紋的間距逐漸增大，同時其大小隨著循環(huán)次數(shù)的增加而變大；終斷區(qū)斷口形貌均為韌窩。

圖5 未補焊試件斷口形貌Fig.5 Fracture appearance of non-repairing welding specimen

應力集中、接頭形式、表面加工狀態(tài)、加載方式、尺寸和焊接產(chǎn)生的其他因素(金屬軟化、殘余應力、缺陷等)是影響焊接接頭疲勞強度的主要因素。結(jié)合疲勞試驗，由于焊接工藝相同，其在焊縫中產(chǎn)生焊接缺陷的幾率基本相同；試驗采用的是統(tǒng)一的光滑試樣，且寬度較窄，在試樣的加工過程中，殘余應力大量釋放，應力集中、表面加工狀態(tài)及尺寸因素對試驗結(jié)果幾乎無影響，可不考慮，故著重分析補焊后金屬軟化對疲勞強度性能的影響。熱影響區(qū)材料組織的不均勻性導致疲勞裂紋大都產(chǎn)生于此表面的滑移帶或缺陷區(qū)，接著會發(fā)展而進入母材或焊縫金屬。而補焊的反復加熱作用使得熱影響區(qū)內(nèi)的軟化區(qū)范圍擴大，脆化相Mg2Si顆粒聚集長大并產(chǎn)生過時效，導致機械性能下降，且隨著補焊次數(shù)的增加，中值疲勞強度呈下降趨勢。

圖7 二次補焊試件斷口形貌Fig.7 Fracture appearance of second-repairing welding specimen

3 結(jié)論

(1)6082鋁合金未補焊時中值疲勞強度87.5MPa，一次補焊的中值疲勞強度68.3 MPa，二次補焊的中值疲勞強度62.5 MPa。

(2)一次補焊時接頭的中值疲勞強度顯著下降，二次補焊的焊接接頭中值疲勞強度比一次補焊時略有下降。

(3)二次補焊對6082鋁合金焊接接頭疲勞性能有一定的影響。

[1]季小輝，董 斌，袁 靜，等.6082 T6鋁合金自動焊接工藝參數(shù)的選擇[J].理化檢驗，2011，47(1)：15-17.

[2]潘復生，張丁菲.鋁合金及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]朱援祥，張小飛，楊 兵，等.基于有限元的多次補焊焊接殘余應力的數(shù)值模擬[J].焊接學報，2002，23(1)：65-68.

Influence on fatigue performance of once and twice repairing welding of 6082 aluminum alloy for high speed trains

NIU Xu-jing1，2，XU Hong-ji2，LIU Chun-ning1，XIE Ming2，LU Er-jing1，2
(1.Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

6082 aluminum alloy is the main material of high speed train body.While welding，it's easy to generate porosity and crack defects and this makes repairing welding nessary.Futher research on the process of repairing welding and the times of repairing welding influence on fatigue performance，then determinating the reasonable repairing welding process and repairing welding times has very important practical significance for impoving the manufacturing level and lowering the production cost of our countries'high speed train.This paper have researched the fatigue performance of 6082 aluminum alloy welded joints of once-repairing welding and second-repairing welding through fatigue test，comparing with the fatigue strength of non-repairing welding connectors.The results show that after once-repairing welding，the median fatigue strength decreases significantly，while the reduce tendency of fatigue limit difference between second-repairing welding and once-repairing welding is slightly；second-repairing welding has certain effect on the fatigue performance of 6082 aluminum alloy welded joints.

6082 aluminum alloy；repairing welding；welded joints；fatigue performance

TG457.14

A

1001-2303(2011)11-0044-04

2011-10-31

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG12A04-B02)

鈕旭晶(1987—)，男，山西太原人，碩士，主要從事軌道車輛焊接工藝技術(shù)工作。