載荷方向和焊縫余高對(duì)氬弧焊縫疲勞性能的影響

回 麗，劉思奇，周 松，王 磊，馬 闖，趙 強(qiáng)

(1 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2 沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043)

在航空制造領(lǐng)域，氬弧焊因成本低、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，其主要失效形式就包含了由疲勞引起的失效。衡量焊接結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是疲勞性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究[4-14]。邵輝成等[9]運(yùn)用有限元分析方法研究了焊縫余高對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響，結(jié)果表明，焊縫坡度和焊縫余高對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能都有影響，焊接接頭的疲勞壽命最佳時(shí)的焊縫坡度為65°，焊縫余高為0.4mm。趙尚超[10]對(duì)焊接接頭從結(jié)構(gòu)、載荷方向、焊接殘余應(yīng)力3個(gè)主要方面進(jìn)行三維有限元數(shù)值分析，對(duì)典型接頭的疲勞強(qiáng)度主要影響因素及規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明橫向承載時(shí)主要影響因素為結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，縱向承載時(shí)主要影響因素為焊接工藝。鄭志騰等[13]對(duì)鈦合金氬弧焊接接頭組織和疲勞性能做了相關(guān)研究，結(jié)果表明，焊縫的亞表面或者內(nèi)部氣孔缺陷為裂紋的起始處，氣孔尺寸對(duì)疲勞壽命的影響在低應(yīng)力水平下較為明顯。

當(dāng)前，直焊為氬弧焊的主要形式，然而焊縫與所受載荷方向呈現(xiàn)一定的角度經(jīng)常會(huì)在實(shí)際的使用過(guò)程中發(fā)生。另外，對(duì)焊接件疲勞性能產(chǎn)生不利影響的還有在焊縫與母材的過(guò)渡處引發(fā)應(yīng)力集中的焊縫余高。本研究對(duì)TC2鈦合金氬弧焊接件進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，其中包含了去除焊縫余高的直、斜焊縫試件及保留焊縫余高的直、斜焊縫試件，結(jié)合對(duì)氬弧焊縫的顯微組織觀察、掃描電鏡下的疲勞斷口分析，從宏、微觀角度對(duì)焊縫的疲勞性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試與分析，為氬弧焊的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)2mm厚的TC2退火態(tài)冷軋鈦合金板在已選定的工藝參數(shù)下進(jìn)行氬弧拼焊制備試件。疲勞試件的長(zhǎng)軸方向分別與焊接方向成90°和45°角，并將此定義為直焊和斜焊試件，焊接區(qū)中心與試件的幾何中心重合。圖1為疲勞試件焊縫分布及幾何尺寸示意圖。

圖1 疲勞試件形狀和尺寸(a),(b)氬弧直/斜焊縫;(c),(d)保留/去除焊縫余高Fig.1 Shape and dimension of fatigue specimens (a),(b)straight/oblique TIG weld seam;(c),(d)retaining/removing weld reinforcement

取氬弧直焊縫保留余高和去除余高及斜焊縫保留余高和去除余高4組試件各12個(gè)，在MTS810電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，其靜態(tài)拉向示值相對(duì)誤差為-0.15%，動(dòng)態(tài)拉向示值相對(duì)誤差為0.74%，試驗(yàn)機(jī)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB2656-81《焊縫金屬和焊接接頭的疲勞實(shí)驗(yàn)法》。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：實(shí)驗(yàn)室空氣，溫度為(20±5)℃，濕度小于50%；在等幅應(yīng)力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最大載荷為421MPa，應(yīng)力比為0.06，加載波形為正弦波，實(shí)驗(yàn)頻率為10Hz。焊接試件的疲勞斷口采用SU3500掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試件疲勞壽命結(jié)果如表1所示。用小子樣數(shù)據(jù)估計(jì)母體參數(shù)，參照HB/Z 112-1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)式(1)～(4)分別計(jì)算各組子樣的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差s、子樣變異系數(shù)Cv和中值疲勞壽命N50，結(jié)果列在表1中。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:n為子樣的觀測(cè)個(gè)數(shù);Ni和xi分別為每個(gè)子樣的疲勞壽命和對(duì)數(shù)疲勞壽命。

由表1可知，不同焊縫載荷方向和焊縫余高對(duì)TC2氬弧焊的疲勞性能影響顯著，對(duì)于同種焊接方向試件，直焊縫與斜焊縫保留余高試件的疲勞壽命分別是去除余高試件疲勞壽命的47.00%和73.10%；對(duì)于保留余高與去除余高試件，直焊縫試件的疲勞壽命分別是斜焊縫試件疲勞壽命的45.84%和71.30%。斜焊縫的焊縫較直焊縫傾斜45°，則焊縫長(zhǎng)度大于同組直焊縫的長(zhǎng)度，理論上同等條件下焊縫越長(zhǎng)可能存在的缺陷越多，疲勞壽命越低，但在相同應(yīng)力條件下，軸向力沿斜焊縫方向分解，垂直于焊縫方向上的應(yīng)力為軸向力的分力，與直焊縫相比較小，如圖2所示。

表1 疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Fatigue experiment results

σ=F/s

(5)

F′=F·cosθ

(6)

S′=s/cosθ

(7)

σ′=F′/s′=σ·cos2θ

(8)

式(5)～(8)為焊縫理論應(yīng)力大小的計(jì)算，式中：σ與σ′分別為直焊縫理論應(yīng)力大小與斜焊縫理論應(yīng)力大??；θ是與焊縫傾斜角互余的角度；F′為外載在焊縫截面法向分力；S是直焊縫的截面面積；S′是斜焊縫的截面面積。式(8)得出斜焊縫的理論應(yīng)力始終小于直焊縫的理論應(yīng)力。焊縫所受載荷的減小是斜焊縫試件疲勞壽命高于直焊縫試件的重要原因。對(duì)于保留余高的氬弧焊焊接件而言，焊縫和母材過(guò)渡處的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重[15],所以其疲勞壽命比去除余高試件低。

圖2 氬弧直、斜焊縫處應(yīng)力分布示意圖Fig.2 Schematic of stress distribution of straight and oblique weld seam

2.2 疲勞斷口分析

圖3所示為氬弧焊縫試件宏觀疲勞斷口，氬弧直焊縫試件裂紋總體沿垂直于拉應(yīng)力方向擴(kuò)展，去除余高試件裂紋在焊縫內(nèi)擴(kuò)展直至斷裂,保留余高試件裂紋在焊趾處擴(kuò)展至斷裂；對(duì)于斜焊縫試件，裂紋在焊縫處形成后，沿垂直于試件軸向方向穿過(guò)焊縫繼續(xù)在母材內(nèi)擴(kuò)展直至斷裂，且有明顯頸縮現(xiàn)象。

圖3 宏觀斷口形貌 1-直焊縫;2-斜焊縫 (a)去除焊高焊縫;(b)保留焊高焊縫Fig.3 Macroscopic fracture appearance 1-straight seam;2-oblique seam (a)removing weld reinforcement seam;(b)retaining weld reinforcement seam

圖4為焊縫宏觀斷口相對(duì)應(yīng)的微觀疲勞斷裂位置，對(duì)于氬弧焊焊接件，疲勞源大多位于焊接區(qū)域氣孔或夾雜等焊接缺陷處[16]，所以裂紋在去除焊縫余高試件的焊縫內(nèi)產(chǎn)生并導(dǎo)致最終斷裂，如圖4(a-1),(a-2)所示；對(duì)于保留焊縫余高試件，焊趾處的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，裂紋一般在焊趾處形成，如圖4(b-1),(b-2)所示。

圖4 微觀斷裂位置 1-直焊縫;2-斜焊縫 (a)去除焊高焊縫;(b)保留焊高焊縫Fig.4 Microcosmic fatigue fracture location 1-straight seam;2-oblique seam (a)removing weld reinforcement seam;(b)retaining weld reinforcement seam

用SU3500型掃描電鏡觀察焊接試件的疲勞斷口微觀形貌，進(jìn)一步了解疲勞斷裂的原因。疲勞斷口可以分成3部分：疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和疲勞瞬斷區(qū)[17]。圖5為試件疲勞源區(qū)域的斷口形貌圖，圖5(a),(b)分別為保留、去除焊縫余高試件的斷口形貌。由圖5可知，因?yàn)楹钢禾幋嬖趹?yīng)力集中，保留焊縫余高試件的疲勞裂紋起源于焊趾處；去除焊縫余高試件的裂紋于氣孔缺陷處起源，并以氣孔為中心呈散射狀向四周擴(kuò)展，疲勞源周圍有大量散射狀條紋。

圖5 疲勞源斷口形貌 (a)保留焊縫余高;(b)去除焊縫余高Fig.5 Fracture appearance of initiation sites (a)retaining weld reinforcement;(b)removing weld reinforcement

圖6為典型的氬弧直、斜焊試件疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌。在擴(kuò)展的初期直、斜焊試樣裂紋均在焊縫內(nèi)擴(kuò)展，由于擴(kuò)展受阻，擴(kuò)展速率慢。在裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶，條帶間距小且伴有二次裂紋產(chǎn)生，如圖6(a-1),(b-1)所示。隨著裂紋擴(kuò)展的深入，擴(kuò)展速率加快，直焊縫試件的裂紋擴(kuò)展區(qū)總體起伏較大，如圖6(a-2)所示；對(duì)于斜焊縫試件的裂紋擴(kuò)展后期，裂紋穿過(guò)焊縫進(jìn)入母材，整體形貌相對(duì)平坦，這是韌性材料典型疲勞裂紋擴(kuò)展特征。由于斜焊縫試件所受應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)直焊縫試件所受的應(yīng)力，且母材的韌性較好，斜焊試件在母材區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)焊縫區(qū)小，因此在擴(kuò)展初期和后期，斜焊縫試件疲勞條帶間距都比直焊縫試件小，斜焊試件的疲勞壽命相對(duì)于直焊試件得到了顯著的提高，這與表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

隨著循環(huán)次數(shù)的增加，當(dāng)擴(kuò)展區(qū)面積的強(qiáng)度不足以承受外加循環(huán)載荷時(shí)，試樣發(fā)生瞬斷。疲勞瞬斷區(qū)的微觀斷口均具有等軸韌窩斷裂特征，對(duì)于直焊試件，韌窩少而淺，如圖7(a)所示；氬弧斜焊試件在母材瞬斷，出現(xiàn)大量微孔聚集型的韌窩，數(shù)量多且密度大，表現(xiàn)出更好的韌性斷裂特征，如圖7(b)所示。

圖7 試件疲勞瞬斷區(qū)斷口形貌 (a)氬弧直焊；(b)氬弧斜焊Fig.7 Fracture morphology of fatigue rupture regions (a)straight TIG welding；(b)oblique TIG welding

3 結(jié)論

(1)對(duì)于同種焊接方向的TC2氬弧焊，直焊縫與斜焊縫保留余高試件的疲勞壽命分別是去除余高試件疲勞壽命的47.00%和73.10%；對(duì)于保留余高與去除余高試件，直焊縫試件的疲勞壽命分別是斜焊縫試件疲勞壽命的45.84%和71.30%。

(2)去焊縫余高試件于氣孔缺陷處萌生裂紋，保留焊縫余高試件疲勞裂紋起源于焊趾。裂紋擴(kuò)展初期試件裂紋均在焊縫內(nèi)擴(kuò)展，有明顯的疲勞條帶，擴(kuò)展后期，斜焊試件裂紋穿過(guò)焊縫進(jìn)入母材，存在典型的韌性疲勞條帶。氬弧直焊試件疲勞瞬斷區(qū)韌窩少而淺，斜焊試件在母材瞬斷，韌窩多且密。

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