7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能研究

程永明，趙旭

?

7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能研究

程永明1，趙旭2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

對7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能進(jìn)行研究?；诮y(tǒng)計學(xué)方法，分析數(shù)據(jù)的可靠性及模型合理性。當(dāng)循環(huán)基數(shù)為1×107時，得到7XXX鋁合金平滑焊接接頭條件疲勞極限值為119 MPa。觀察典型疲勞失效試樣縱截面，斷裂發(fā)生于焊縫區(qū)。主導(dǎo)裂紋萌生于試樣表面，隨著循環(huán)加載的進(jìn)行，裂紋垂直加載軸擴(kuò)展，隨后近似平行于熔合線地長大，其最終取向又垂直于加載方向，局部擴(kuò)展路徑可見少量的次生裂紋。

7XXX鋁合金；疲勞性能；主導(dǎo)裂紋

7XXX鋁合金屬于Al－Mg－Zn系可熱處理強(qiáng)化鋁合金。高強(qiáng)度高，焊接性能優(yōu)良。已廣泛應(yīng)用于鐵路、汽車、航空領(lǐng)域的零部件及焊接結(jié)構(gòu)件。7XXX鋁合金綜合性能優(yōu)良，但其焊接結(jié)構(gòu)多采用MIG焊施焊，已有的研究結(jié)果[1-3]表明，鋁合金接頭性能會有一定程度的降低。對接頭的力學(xué)性能特別是動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，有非常重要的意義。在深入理解接頭性能的基礎(chǔ)上，為實際焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，壽命分析與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐[4-5]。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用9 mm厚的7XXX鋁合金，主要成分如表1所示。焊絲直徑為1.6的ER5356焊絲，采用半自動多道MIG焊實現(xiàn)母材與母材之間的連接，施焊順序如圖1所示。采用如表2所示參數(shù)獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊接接頭。

參考GB/T 3075－2008[6]屬材料疲勞軸向疲勞試驗軸向力控制方法標(biāo)準(zhǔn)加工疲勞試樣，確保試樣表面精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，試樣尺寸如圖2所示。采用QBG100電液伺服疲勞試驗機(jī)進(jìn)行試驗，疲勞循環(huán)基數(shù)為1×107，應(yīng)力比＝0，頻率在100～120 Hz，試驗溫度在20～25 ℃。采用應(yīng)力范圍表征應(yīng)力水平大小，對獲得的疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常結(jié)果，獲得有效的試驗數(shù)據(jù)。使用JSM 6490LV掃描電子顯微鏡觀察失效試樣斷口特征，分析試樣失效原因。同時利用Axio Observer A1m光學(xué)顯微鏡觀察典型失效試樣的裂紋擴(kuò)展過程。

表1 7XXX鋁合金主要成分（wt%）

表2 三道焊縫工藝參數(shù)

圖1 焊道次序

圖2 疲勞試樣尺寸

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)可靠性分析及擬合模型選擇

數(shù)據(jù)可靠性是疲勞數(shù)據(jù)分析及模型擬合的前提，參考GB/T 24176－2009疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法[7]和文獻(xiàn)專著[8]。獲得置信度為、可靠度為的－曲線，每級應(yīng)力水平下有效數(shù)據(jù)個數(shù)不應(yīng)太少，應(yīng)滿足：

通常情況下直接擬合數(shù)據(jù)獲得的－曲線，是在置信度＝50%，可靠度＝50%條件下的結(jié)果。據(jù)此可得到式（1）中相關(guān)參數(shù)的大小。即有：u＝0、t＝0.816。對于工程問題而言，介于5%～10%之間。?。?%。由式（1）計算得到對數(shù)壽命的可靠性評價參數(shù)結(jié)果，如表3所示。

表3 對數(shù)疲勞壽命數(shù)據(jù)可靠性分析

各個應(yīng)力水平下有效數(shù)據(jù)個數(shù)均滿足式（1），以此試驗數(shù)據(jù)繪制－曲線是可靠的。同時計算90%置信度、50%可靠度時的值，大小為0.036，式（1）依然成立，如圖3所示。當(dāng)可靠度一定，隨置信度的增加，有效數(shù)據(jù)應(yīng)滿足更加嚴(yán)格的限定條件。

圖3 變異系數(shù)結(jié)果

擬采用線性模型擬合單對數(shù)－曲線。當(dāng)試樣的對數(shù)疲勞壽命與應(yīng)力值的相關(guān)系數(shù)絕對值大于相關(guān)系數(shù)起碼值時（統(tǒng)計學(xué)臨界值），采用線性模型是可靠的。計算得到相關(guān)系數(shù)為|cor(lg,)|＝0.9524。查閱統(tǒng)計學(xué)臨界值表[8]，當(dāng)有效試驗數(shù)據(jù)個數(shù)為12時，試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)起碼值為0.576，變量相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)大于臨界值，選擇線性模型擬合對數(shù)疲勞壽命和應(yīng)力水平可得到合理的結(jié)果。

如圖4所示，在循環(huán)基數(shù)為1×107次時，得到試件平滑焊接接頭的中值條件疲勞極限為119 MPa。基于表3結(jié)果，對于有限壽命試樣，隨應(yīng)力水平不斷增大，接頭對數(shù)疲勞壽命分散性呈減小趨勢，160 MPa、180 MPa應(yīng)力水平的分散性差異不大，205 MPa時對數(shù)壽命的分散性最小。即對于相同焊接工藝下獲得的焊接接頭，接頭復(fù)雜組織、冶金缺陷等因素對較低應(yīng)力水平下對數(shù)疲勞壽命的均勻性影響更大。

圖4 中值應(yīng)力壽命曲線

2.2 典型疲勞斷口分析

圖5（a）和（b）為典型的疲勞源特征。裂紋均起源于試件表面，未見明顯的缺陷。通常認(rèn)為是與最大切應(yīng)力面相一致的滑移面的晶粒優(yōu)先屈服而發(fā)生了滑移，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋萌生于材料自由表面的薄弱位置[9]。疲勞源近鄰區(qū)有明顯的滑移痕跡，且存在向四周發(fā)散的放射條紋，放射條紋的匯聚區(qū)即為裂紋源。斷口局部位置存在氣孔，裂紋前沿達(dá)到氣孔處時加速擴(kuò)展。圖5（c）是裂紋擴(kuò)展區(qū)的典型形貌，疲勞輝紋特征明顯，不同位置輝紋曲率略有差異，這與晶粒取向和復(fù)雜的微觀組織相關(guān), 輝紋形成原因可由經(jīng)典的Neumann[10]雙滑移模型解釋，由于裂尖的塑性鈍效應(yīng)產(chǎn)生。擴(kuò)展區(qū)局部還可見雜質(zhì)或第二相粒子剝落留下的凹陷。圖5（d）瞬斷區(qū)中存在大量韌窩，撕裂棱特征明顯，局部小韌窩合并形成尺寸較大的韌窩，為典型的微孔聚集性斷裂。

圖5 疲勞失效試樣的典型斷口形貌

2.3 裂紋擴(kuò)展路徑觀察

圖6為裂紋擴(kuò)展不同階段特征。從裂紋起裂點至試樣失效時裂紋止裂點，裂紋的兩自由面間距逐漸減小，試樣失效時，裂紋未完全貫穿焊縫厚度。裂紋整體呈現(xiàn)“N”字形擴(kuò)展規(guī)律，局部擴(kuò)展路徑較平滑，未出現(xiàn)明顯的不規(guī)則特征。

裂紋從試樣近熔合線的焊縫自由表面處起裂，初始裂紋擴(kuò)展方向與加載軸方向幾乎垂直，這是疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段的最典型特征，隨著循環(huán)損傷的加劇，裂紋長度增加，局部位置有少量扭折。當(dāng)裂紋到達(dá)熔合線處時，擴(kuò)展方向發(fā)生改變，擴(kuò)展路徑與熔合線近似平行，與加載軸約呈45°角。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至焊道熔合線扭折位置時，擴(kuò)展方向再次發(fā)生改變，與加載軸夾角逐漸呈90°，裂紋進(jìn)入擴(kuò)展末期，繼續(xù)擴(kuò)展少許長度后，試樣有效面積不足以承載施加載荷，試樣失效。在裂紋擴(kuò)展路徑的局部位置存在次生裂紋，次生裂紋線度小于400 μm。

分析圖6（b）和（c）可以觀察到，白色虛線區(qū)域內(nèi)部，即裂紋發(fā)生扭折區(qū)域組織明顯細(xì)化，文獻(xiàn)[11-12]指出該區(qū)為等軸細(xì)晶區(qū)（non- dendritic equiaxied grain，EQZ），該區(qū)域的產(chǎn)生與晶粒前沿存在的較小的成分過冷度相關(guān)，且該區(qū)域易萌生裂紋，當(dāng)已有裂紋到達(dá)該區(qū)域時，更易穿過該組織區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，形成“N”字?jǐn)U展特征。

圖6 典型失效裂紋擴(kuò)展路徑

3 試驗結(jié)論

本文基于統(tǒng)計學(xué)方法，研究7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能，獲得了較可靠的結(jié)果，觀察、分析了典型試樣的失效原因和裂紋的擴(kuò)展過程，主要結(jié)論包括：

（1）50%置信度、50%可靠度和90%置信度、50%可靠度的變異系數(shù)均滿足要求。通過單對數(shù)線性擬合，獲得應(yīng)力比為0時7XXX鋁合金平滑焊接接頭中值條件疲勞極限為119 MPa；

（2）裂紋起源于焊縫自由表面的局部薄弱區(qū)，裂紋源不存在明顯的缺陷，局部區(qū)域有明顯的滑移跡線；

（3）靠近熱影響區(qū)處的等軸細(xì)晶區(qū)是裂紋呈現(xiàn)“N”字形擴(kuò)展的主要原因，擴(kuò)展路徑較平滑，局部萌生出次生裂紋。

[1]劉雪松，李書齊，王平，等. 6N01-T5鋁合金焊接接頭疲勞斷裂分析[J]. 焊接學(xué)報，2009，30（10）：25.

[2]張亮，方洪淵，王林森，等. A7N01鋁合金焊接接頭的不均勻特性[J]. 焊接學(xué)報，2012，33（11）：97-100.

[3]J. da Silva，J. M. Costa，A. Loureiro，et al. Fatigue behavior of AA6082-T6 MIG welded butt joints improved by friction stir processing [J]. Materials and Design，2013（51）：315.

[4]司明理，楊宛章，韓長杰. 基于MSC.Fatigue的撿膜彈齒疲勞壽命分析與優(yōu)化[J]. 機(jī)械，2007，34（7）：49-52.

[5]李現(xiàn)春，胡曉兵，李毅，等. 基于nCode Design-Life的重型起重設(shè)備疲勞壽命預(yù)測研究[J]. 機(jī)械，2017，44（8）：1-6.

[6]GB/T 3075－2008，金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法[S].

[7]GB/T 24176－2009，金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法[S].

[8]高鎮(zhèn)同. 疲勞應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1986：344-348.

[9]張彥華. 焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[10]P. Neumann. Coarse Slip Model of Fatigue [J]. Acta Metallurgica，1969，17（9）：1219-1225.

[11]L Cui，X. Y. Li，D. Y. He，et al. Effect of Nd: YAG laser welding on microstructure and hardness of an Al-Li based alloy [J]. Materials Characterization，2012，71（9）：95-102.

[12]D. C. Lin，G. X. Wang，T. S. Srivatsan. A mechanism for the deformation of equiaxed grains in welds of aluminum-lithium alloy 2090 [J]. Materials Science and Engineering A，2003，351（1/2）：304-309.

The Fatigue Performance of Smoothed Weld Joints of 7XXX Aluminum Alloy

CHEN Yongming1，ZHAO Xu2

( 1.CRRC Qjngdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 26111, China;2.School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The fatigue property of the smoothed weld joints of 7XXX aluminum alloy was mainly researched in this paper. Data reliability analysis, as well as reasonability of model was analyzed via the statistics method. The conditional fatigue limit was about 119MPa with the cyclic number of 1×107. Then the cross section of failure specimen was observed in detail, and the location of fracture was determined in the position of the weld, obviously. The dominant crack initiated at the surface of the specimen. It was perpendicular to the loading shaft, then parallel to fusion line and the crack was vertical to loading direction finally with the cyclic loading. Little secondary cracks appeared along the propagation path at the same time.

7XXX aluminum alloy；fatigue property；dominant crack

TG115.5+7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.014

1006－0316 (2018) 07－0059－04

2017－11－23

程永明（1974－），男，山東青島人，碩士，高級工程師，主要研究方向為高速動車組車體焊接技術(shù)研發(fā)。