A7N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能比較

胡冬生，何順鵬

（1.廣東南車軌道交通車輛有限公司，廣東江門　529100；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都　610031）

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A7N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能比較

胡冬生1，何順鵬2

（1.廣東南車軌道交通車輛有限公司，廣東江門529100；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

摘要：目的通過升降法研究了A7N01S-T5鋁合金熔化極氬氣保護(hù)焊（MIG）不同形式、不同厚度焊接接頭疲勞性能，結(jié)果表明4 mm、8 mm和16 mm厚7N01鋁合金對(duì)接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭的疲勞強(qiáng)度范圍分別為72.73–39.84Mpa、60.88–34.32MPa和42.15–32.49MPa；上述接頭的應(yīng)力集中系數(shù)范圍分別為1.06–1.27、1.10–1.35和5.23–6.50。接頭內(nèi)部氣孔和幾何形狀所誘發(fā)的應(yīng)力集中是7N01鋁合金焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的重要原因。

關(guān)鍵詞：A7N01S-T5鋁合金；焊縫接頭；疲勞性能

7N01鋁合金系主要運(yùn)用于底架、端面梁和門檻等動(dòng)車組車體承載結(jié)構(gòu)。然而，動(dòng)車組車體往往采用鋁合金焊接制造而成，焊接結(jié)構(gòu)失效頻次最高的是疲勞失效［1-3］。并且疲勞失效往往具有相對(duì)的隱蔽性和突發(fā)性，對(duì)動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量安全具有嚴(yán)重制約［4-5］。同時(shí)7N01鋁合金車體部件焊接接頭類型多，厚度跨度大，循環(huán)交變載荷服役條件復(fù)雜，但了解疲勞失效的損傷類型、程度和特性是動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和維保的先決條件。因此開展7N01鋁合金焊接接頭疲勞性能研究工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

關(guān)于鋁合金焊接接頭疲勞性能的報(bào)道多集中于某一種接頭類型或某一固定厚度尺寸，對(duì)鋁合金，尤其7N01鋁合金不同接頭形式、不同厚度的研究相對(duì)較少［6-14］。而本文針對(duì)底架框架用7N01鋁合金進(jìn)行了不同厚度、不同焊接接頭的疲勞性能研究，以便動(dòng)車組車體焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞損傷檢測(cè)方案制定提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1　試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

采用A7N01S-T5國(guó)產(chǎn)鋁合金為焊接母材，利用Φ1.6 mm SAF ER5356焊絲為填充材料，母材和填充材料具體的化學(xué)成分如表1所示。焊接試板規(guī)格均為350 mm×150 mm，厚度分別為4 mm、8 mm和16 mm。其中對(duì)接接頭為無鈍邊、70°V型坡口，4 mm的十字接頭無坡口，8和16 mm的十字接頭為40°K型坡口、鈍邊為1 mm，搭接接頭均無坡口。

1.2試驗(yàn)方法

焊接保護(hù)氣體為高純氬(純度99.999％)。通過421EXPERT Force Arc MIG焊機(jī)制備焊縫接頭。對(duì)接接頭焊接電流、電壓和線能量分別為151.0～230.0 A，22.0～25.7 V和306.7～418.1 J/mm，其他接頭的焊接電流、電壓和線能量分別為118～245 A，19.1～25.7 V和264.1～498.8 J/mm。焊前對(duì)焊道做機(jī)械清理，其中16 mm的試件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度低于100℃；焊接過程中的層間溫度低于70℃，焊后僅用不銹鋼絲刷清除焊縫黑灰，不做其它處理。

按照J(rèn)IS Z2273-1987和GB/T 3075-2008標(biāo)準(zhǔn)在GPS200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中保持溫度為20～25℃，濕度不大于50％的非腐蝕性氣氛。對(duì)試樣施加軸向拉伸應(yīng)力，加載頻率為100～110 Hz，循環(huán)應(yīng)力比R=0。約定當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1.0×107、焊接接頭未遭到破壞時(shí)，此時(shí)的強(qiáng)度為該接頭的極限疲勞強(qiáng)度值。利用JSM-7001F掃描電鏡和ANSYS軟件分別對(duì)部分接頭斷口進(jìn)行了觀察和應(yīng)力分布情況模擬分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1疲勞性能比較與分析

圖1為4 mm、8 mm和16 mm厚對(duì)接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭焊縫強(qiáng)度隨著疲勞循環(huán)次數(shù)增加而變化趨勢(shì)圖。其中圖1中的（a）、（b）和（c）分別是上述三種接頭焊縫在4 mm、8 mm和16 mm的S-N曲線圖，圖1（d）為循環(huán)次數(shù)為1.0х107不同厚度接頭焊縫的條件極限疲勞強(qiáng)度值變化。從圖1可以看到同樣厚度條件下，三種接頭焊縫的極限疲勞強(qiáng)度大體趨勢(shì)是對(duì)接焊縫的極限疲勞強(qiáng)度最大，搭接焊縫的極限疲勞強(qiáng)度次之，十字焊縫的最小。僅當(dāng)厚度為4 mm時(shí)，圖1（a）中橫向十字接頭焊縫極限疲勞強(qiáng)度大于搭接接頭焊縫的。這可能與板材厚度和焊縫的尺寸較低有關(guān)。厚度低，軸向傳力線變化相對(duì)連續(xù)和平緩。對(duì)接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭疲勞強(qiáng)度依次減少的規(guī)律與何如［7］，張紅霞等［8］的研究結(jié)果一致。

從圖1（d）中可以看到同種接頭焊縫的極限疲勞強(qiáng)度隨著板厚增加而逐漸降低，但這種降低幅度在對(duì)接接頭、搭接接頭和十字接頭中呈逐漸減少的趨勢(shì)。其中4 mm、8 mm和16 mm對(duì)接焊縫的極限疲勞強(qiáng)度分別為72.5 MPa、50.23 MPa和42.23 MPa；4 mm、8 mm和16 mm搭接焊縫的極限疲勞強(qiáng)度分別為60.13 MPa、30.11MPa和30.11MPa；4 mm、8 mm和16 mm十字接頭的極限疲勞強(qiáng)度分別為42.75 MPa、40.22 MPa和32.41 MPa。即在同等條件下，焊縫厚度對(duì)極限疲勞強(qiáng)度增加的貢獻(xiàn)將越小。焊縫接頭疲勞強(qiáng)度隨著厚度增加而降低，與焊縫金屬材料“尺寸效應(yīng)”有關(guān)。即在相同的焊接工藝條件下，假設(shè)單位體積中焊縫缺陷一定，則焊縫尺寸越大其缺陷量越多。并存在某一缺陷累積臨界值，當(dāng)接近或達(dá)到該臨界值時(shí)，焊接接頭疲勞強(qiáng)度值將為定值。

統(tǒng)計(jì)不同接頭焊縫疲勞試驗(yàn)失效位置，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的焊縫均在焊趾或焊根位置出現(xiàn)開裂。圖2為8 mm對(duì)接接頭、十字接頭和搭接接頭失效位置宏觀圖。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，焊趾或焊跟是上述三種接頭焊縫失效裂紋萌生初始位置。搭接接頭疲勞裂紋萌生位置為偏向側(cè)向搭接板的背部焊縫焊根處。從疲勞裂紋起始位置可以推測(cè)，該部位可能是焊縫缺陷重災(zāi)區(qū)或應(yīng)力集中部位［8-9，11-13］。因?yàn)楹钢嚎拷酆暇€，而熔合線周圍往往是焊縫與母材之間成分、組織劇烈變化的過渡部位，這些微區(qū)往往成為微裂紋的萌生源［15-17］。

圖1　不同厚度下不同接頭焊縫疲勞性能比較

焊接接頭疲勞斷口形貌往往能夠反映裂紋萌生的一些信息。圖3為8 mm不同接頭焊縫疲勞斷口形貌。其中圖3中的（a）和（b）分別表示8 mm對(duì)接接頭疲勞裂紋源和擴(kuò)展區(qū)，圖3中的（c）和（d）分別表示搭接接頭疲勞裂紋源和擴(kuò)展區(qū)。從圖3中的（a）和（c）中可以看到疲勞裂紋源區(qū)存在少量的氣孔區(qū)，這表明淺表層氣孔可能對(duì)疲勞裂紋形成有促進(jìn)作用。從圖3（b）中可以看到疲勞條紋稠密地分布于一平臺(tái)，并存在少量的二次裂紋；而圖3（d）中可以看到疲勞條紋分布于臺(tái)階間隙上，周圍分布有撕裂棱和較多的二次裂紋。

圖2　不同接頭疲勞試驗(yàn)裂紋起始位置比較

圖3 8 mm不同接頭疲勞斷口形貌比較

圖4為16 mm不同接頭疲勞斷口形貌。其中圖4（a）和（b）為16 mm對(duì)接接頭疲勞裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)，圖4中的（c）和（d）為16 mm搭接接頭疲勞裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)。相較于圖3中的（a）和（d）中，從圖4中的（a）和（d）可以看到疲勞源的淺表面的氣孔數(shù)量和尺寸明顯增加，如黑線框中標(biāo)出區(qū)域。16 mm搭接接頭疲勞裂紋源區(qū)氣孔的分布區(qū)域明顯大于16mm對(duì)接接頭的。從圖4中的（b）和（d）中看到疲勞擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋并不明顯，但均存在一定的二次裂紋。

圖4　16 mm不同接頭疲勞斷口形貌比較

2.2ANSYS應(yīng)力分布模擬分析

焊接接頭疲勞失效主要由接頭幾何形狀引起的固有和外部加載應(yīng)力集中所造成的，焊接缺陷所誘發(fā)疲勞斷裂極少［18-19］。因此有必要考察焊接接頭應(yīng)力分布以及應(yīng)力集中情況。圖5為4 mm不同接頭的ANSYS模擬應(yīng)力分布圖。由于疲勞試驗(yàn)中的極限疲勞強(qiáng)度為30.11 MPa，所以模擬加載30.0 MPa。從圖5中可以看出各接頭焊縫焊趾或焊根的應(yīng)力最大，4 mm對(duì)接接頭、搭接接頭和十字接頭的應(yīng)力分別為31.7 MPa、157MPa和33.1MPa，由應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算公式（1）可以得到上述三種接頭的應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.06、1.10和5.23。

從圖5（a）中可以看到對(duì)接接頭焊縫背面焊趾處應(yīng)力比正面的大，這是由于反面焊趾焊縫過渡角、焊縫過渡半徑過小于均會(huì)導(dǎo)致傳力線密度激劇變化而造成應(yīng)力集中［18］。這種應(yīng)力集中模式同樣適應(yīng)于圖5 （b）和（c）中的橫向十字接頭和搭接接頭焊縫。

圖5　4mm不同接頭焊縫ANSYS模擬應(yīng)力分布云圖

通過ANSYS軟件按照上述模式模擬8 mm和16 mm的上述三種接頭焊縫應(yīng)力分布情況，得到不同厚度、不同焊接接頭應(yīng)力集中系數(shù)，如表2所示。從表2中可以看到，隨著厚度增加，三種接頭焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)均增加。其中對(duì)接和橫向十字接頭的應(yīng)力集中系數(shù)增加幅度有明顯的減少趨勢(shì)，而搭接接頭的卻屬于增大的。這與搭接接頭本身的結(jié)構(gòu)屬性有關(guān)，搭接適用于連接結(jié)構(gòu)，不適于傳力結(jié)構(gòu)。

表2　應(yīng)力集中系數(shù)

3　結(jié)論

（1）4 mm、8mm和16mmA7N01S-T5鋁合金對(duì)接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭極限疲勞強(qiáng)度范圍分別為42.44～72.50MPa、32.41～42.75MPa和30.11～62.33MPa。隨著厚度增加，對(duì)接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭的極限疲勞強(qiáng)度值逐漸降低，但降低幅度逐漸減小。

（2）4 mm、8mm和16mm A7N01S-T5鋁合金對(duì)接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭焊縫存在明顯的應(yīng)力集中，三者應(yīng)力集中系數(shù)范圍分別為1.06～1.27、1.10～1.35和5.23～6.50。隨著厚度增加，三者應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)值均增加。但對(duì)接接頭和十字接頭焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)增加幅度逐漸減少，而搭接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)繼續(xù)增大。

（3）對(duì)接接頭、十字接頭和搭接接頭疲勞裂紋萌生位置主要為焊趾和焊根，焊縫內(nèi)部的氣孔和應(yīng)力集中是上述三者接頭疲勞失效的重要原因。8～16mm焊接接頭斷口形貌表明，接頭內(nèi)部氣孔缺陷是增加的。

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作者簡(jiǎn)介：胡冬生（1985-），男，碩士，從事動(dòng)車組焊接工藝工作；何順鵬（1992-），男，碩士在讀。