A7N01鋁合金焊接接頭組織和疲勞性能研究

■ 曲曉東 李欽杰 孟慶國(guó)/大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司 國(guó)核示范電站

A7N01鋁合金作為一種Al-Zn-Mg系高強(qiáng)鋁合金，因比強(qiáng)度高、熱變形性能好、焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造飛機(jī)的桁架和大梁等重要承力焊接結(jié)構(gòu)件[1-5]，該材料相比于其他牌號(hào)的鋁合金，焊接接頭具有更明顯的化學(xué)成分、組織和力學(xué)性能的不均勻性[6-7]。由于材料組織性能的優(yōu)劣對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的服役安全性尤其是疲勞性能具有十分重要的影響，因此很有必要針對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭的組織和疲勞性能進(jìn)行研究。

本文對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭的金相組織、顯微硬度分布、抗拉強(qiáng)度和疲勞特征進(jìn)行了分析和測(cè)試，綜合分析了焊接接頭組織和疲勞性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與焊接工藝

A7N01材料的入庫(kù)狀態(tài)為“淬火+自然時(shí)效”，ТIG焊的填充焊絲為ER5356，兩者的化學(xué)成分如表1所示。

通過(guò)正交試驗(yàn)方法和焊接接頭質(zhì)量的宏觀檢查，選出最佳的ТIG焊接工藝參數(shù)：焊接電流為40～50A，保護(hù)氣流量6L/min，焊接速度4～5m/h。焊接過(guò)程中要求氬氣保護(hù)，焊縫無(wú)過(guò)熱，背面成形良好，按照GJB593.2-88標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射線檢查，要求達(dá)到二級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試樣制備

按照GB/Т 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/Т 4342-1991《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》、GB/Т 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/Т 3075-2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》等標(biāo)準(zhǔn)，采用線切割方法加工出標(biāo)準(zhǔn)的金相試樣、硬度試樣、拉伸試樣和疲勞試樣。

1.3 焊接接頭性能表征

采用Olympus GX71科研級(jí)倒置式金相顯微鏡進(jìn)行金相試驗(yàn)，采用AMH43全自動(dòng)顯微硬度儀進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，采用Instron5569電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用MТS-810電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用S-4700冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行疲勞斷口掃描。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 接頭微觀組織與缺陷分析

焊接接頭以及焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等各區(qū)的微觀組織如圖1所示，圖1中（b）（c）（d）分別為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的微觀組織照片。焊縫區(qū)呈現(xiàn)為典型的鑄造組織，觀察不到明顯的晶界。在熱影響區(qū)靠近焊縫一側(cè)呈現(xiàn)為典型的細(xì)小等軸晶粒，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，該區(qū)域的母材發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒細(xì)小；遠(yuǎn)離焊縫方向晶粒尺寸變大，并且由等軸晶粒逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檠剀堉品较虻募?xì)長(zhǎng)晶粒。在遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)呈現(xiàn)為沿軋制方向分布的細(xì)長(zhǎng)變形晶粒，隨著遠(yuǎn)離焊縫距離的增加，受焊接熱影響的程度減小，當(dāng)最高溫度低于再結(jié)晶溫度時(shí)，該區(qū)域的組織形態(tài)不會(huì)產(chǎn)生任何變化。通過(guò)查找文獻(xiàn)可知，填充金屬為ER5356的焊縫區(qū)和A7N01母材的主要強(qiáng)化相是MgZn2[8-9]。從圖1中可以看出，焊縫組織為由α(Al)基體、粗大一次相和細(xì)小彌散第二相組成的鑄態(tài)組織；熱影響區(qū)組織為α(Al)基體和未完全固溶的一次相組成的過(guò)渡組織；母材區(qū)為由α（Al）基體、粗大一次相MgZn2、細(xì)小彌散的第二相MgZn2和平行軋制方向分布的夾雜物組成的軋制態(tài)組織。A7N01鋁合金焊接接頭中的主要缺陷是焊接氣孔，焊縫區(qū)表面的密集氣孔極易成為疲勞啟裂的疲勞源。

表1 A7N01鋁合金和焊絲ER5356化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 焊接接頭微觀組織

圖2 焊接接頭微觀硬度分布

2.2 顯微硬度測(cè)量結(jié)果

焊接接頭的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖2所示，焊縫區(qū)硬度平均為85HV，母材硬度約為130HV。母材硬度明顯高于焊縫區(qū)硬度，這是因?yàn)楹附z采用的是ER5356高塑性焊絲，有較好的抗裂性能。熱影響區(qū)主要由局部熔化區(qū)、淬火區(qū)和過(guò)時(shí)效區(qū)組成，過(guò)時(shí)效區(qū)的顯微硬度明顯低于局部熔化區(qū)和淬火區(qū)，這是因?yàn)檫^(guò)時(shí)效區(qū)強(qiáng)化相聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致硬度下降，形成軟化區(qū)。焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等三個(gè)區(qū)域的硬度分布，說(shuō)明了焊接接頭力學(xué)性能的不均勻性，尤其是熱影響區(qū)。

2.3 靜拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)A7N01母材和焊接接頭進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，A7N01作為一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的高強(qiáng)度鋁合金，母材的屈服強(qiáng)度平均為311.3MPa，焊接接頭的屈服強(qiáng)度有所降低，為211.1MPa。焊接后的力學(xué)性能指標(biāo)下降，屈服強(qiáng)度降低了32.2%，數(shù)值上約為100.2MPa。同時(shí)采用納米壓痕儀測(cè)量出母材和焊接接頭焊縫區(qū)的彈性模量，分別為83GPa和69GPa。

2.4 焊接接頭各微區(qū)疲勞性能

為了分析A7N01鋁合金焊接接頭各微區(qū)的疲勞性能，采用機(jī)械加工方式分別在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)加工出應(yīng)力集中系數(shù)Kt為3.49的缺口[10]，圖3為缺口開(kāi)在焊縫區(qū)的示意圖。對(duì)帶缺口的焊接疲勞試件進(jìn)行低頻疲勞試驗(yàn)，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的疲勞壽命數(shù)值如表3所示。對(duì)比分析疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其S-N曲線可以發(fā)現(xiàn)，缺口開(kāi)在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)試件的疲勞壽命有較大差異，在相同的應(yīng)力幅條件下，母材的疲勞壽命最長(zhǎng)，熱影響區(qū)次之，焊縫最短，并且隨著應(yīng)力幅的減小各微區(qū)疲勞壽命的差異逐漸增大。

2.5 焊接接頭疲勞斷口觀察

疲勞裂紋由疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三部分組成，圖4為通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察到的焊接疲勞試件疲勞源微觀形貌。

圖4（a）顯示焊接氣孔在該斷口的邊緣聚集，疲勞裂紋在焊縫區(qū)近表面密集氣孔處萌生；圖4（b）顯示裂紋源分布在接近斷口的邊緣處，呈現(xiàn)為凹凸不平的白色凸起物，根據(jù)SEM照片的對(duì)比度，可以判斷該裂紋源為焊縫夾雜；通過(guò)圖4（c）可以觀察到裂紋源呈現(xiàn)為結(jié)晶裂紋，晶粒粗大，晶界粗而深，在晶界分離面附近存在明顯的氧化膜和熔化孔洞等特征，且表面呈現(xiàn)為液態(tài)結(jié)晶痕跡；通過(guò)圖4（d）可以觀察到斷口邊緣金屬具有較大空隙，由此可以判斷該裂紋源為表面疏松。同時(shí)，從圖5可以觀察到，疲勞裂紋從以上裂紋源處萌生，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，沿試件厚度方向呈輻射狀向周?chē)鷶U(kuò)展，擴(kuò)展方向與一條條密集的疲勞輝紋垂直。

表2 A7N01母材及焊接接頭靜力學(xué)性能

圖3 帶缺口疲勞試件示意圖

表3 低頻疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)（次）

圖4 焊接接頭疲勞源SEM形貌

3 結(jié)論

1） 焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的組織存在明顯差異，焊縫區(qū)主要為鑄造組織，近縫熱影響區(qū)為粗大的晶粒，遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)為軋制態(tài)組織。

2） 焊縫區(qū)平均硬度為85HV，母材硬度約為130HV，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等三個(gè)區(qū)域的硬度分布不均勻。

3） 在相同的應(yīng)力幅條件下，母材的疲勞壽命最長(zhǎng)，熱影響區(qū)次之，焊縫最短，并且隨著應(yīng)力幅的減小各微區(qū)疲勞壽命的差異逐漸增大。

4） A7N01鋁合金焊接結(jié)構(gòu)多數(shù)在焊縫區(qū)發(fā)生疲勞斷裂，焊縫區(qū)的表面氣孔、夾雜等缺欠和熱裂紋是引起疲勞失效啟裂的疲勞源，焊縫區(qū)屈服強(qiáng)度低可能是導(dǎo)致該微區(qū)疲勞擴(kuò)展壽命低的直接原因。

圖5 疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

[1]HYonetani.Laser-MIG hybrid welding to aluminium alloy carbody shelf or railway vehicles[J].Welding International,2008, 46(2)∶43-47.

[2]劉雪松,李書(shū)齊，王蘋(píng),孟立春,呂任遠(yuǎn).6N01-Т5鋁合金焊接接頭疲勞斷裂分析[J].焊接學(xué)報(bào),2009,30(10)∶25-28.

[3]閆德俊.高速列車(chē)底架用鋁合金焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展特性[D].哈爾濱∶哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]王 蘋(píng) ,劉雪松,王強(qiáng),方洪淵.A 7 N 0 1 P-Т 5鋁合金斷裂韌度的厚度效應(yīng)[J]. 焊接學(xué)報(bào),2013,34(6)∶45-48.

[5]閆德俊,劉雪松,方洪淵等. 高速列車(chē)用高強(qiáng)鋁合金焊接接頭疲勞裂紋的擴(kuò)展特性[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012，22（12）：3313-3319.

[6]晁耀杰,高子強(qiáng),許振鵬,代翔宇.ТA15鈦合金脈沖ТIG焊接頭微觀組織和力學(xué)性能分析[J].焊接技術(shù),2016,45(8)∶18-20.

[7]晁耀杰,劉雪松.基于聲彈性原理鋼的焊接應(yīng)力測(cè)量方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[8]D JYan,X SLiu,JLi,et al.Effect of strain hardening andstrain softening on welding distortion and residual stress of A7N01-Т4 aluminum alloy by simulation analysis[J].Journal ofСentral South University of Тechnology ,2010,17(4)∶666-673.

[9]張亮,方洪淵,王林森,劉雪松.A7N01鋁合金焊接接頭的不均勻特性[J],2012,33(11)∶97-100.

[10]Pilkey，Walter D.Peterson’s stress concentration factors (2nd Editon)[M].JORN WIKEY & SONS,INС.New York,1997.