基于ZL116支座補焊開裂失效分析與改進

陳體磊，張忠潔，吳笑笑，張志強

（1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000；2.安徽奇瑞商用車有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 前言

目前航空工業(yè)中使用的鑄造鋁合金，盡管合金系列不同，但都屬于可焊鑄鋁合金，該系合金加入了大量的Si從而具有良好的鑄造性能。經(jīng)過變質(zhì)處理和熱處理后，力學性能、物理性能和加工性能優(yōu)良[1-3]。由于鑄造鋁合金塑性較低，加上合金容易有疏松和偏析，熱裂傾向較大，在焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋、夾雜、氣孔等缺陷[4-6]。這些缺陷往往會產(chǎn)生應力集中，降低焊接接頭的力學性能，嚴重時會造成脆性破壞[7]。結(jié)晶溫度間隔寬、凝固收縮大、耐蝕性差、鑄造強度低、容易形成表面缺陷等，導致鋁合金鑄件發(fā)生疲勞破壞，影響了鑄件的使用可靠性和安全性。因此，鋁合金鑄件的失效分析逐漸受到材料學者和工程設計人員的重視。目前，研究鋁合金鑄件失效分析方面的資料很有限，本研究通過故障支座外觀觀察、體視檢查、微觀觀察、能譜分析、金相檢查、硬度測試等試驗，確定了裂紋的性質(zhì)，分析支座開裂原因，并給出提高支座受力部位的疲勞抗力，避免故障再次發(fā)生的有效方法。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

支座裂紋外觀如圖1所示。由圖1a可知，裂紋長度約1.5 mm，位于支座側(cè)邊R角焊接部位。將外部紅漆清洗后可見裂紋內(nèi)外貫穿，且裂紋沿焊縫邊緣擴展，如圖1b、1c所示。

1.2 體視檢查

使用體視顯微鏡觀察支座裂紋，可見裂紋沿焊縫邊緣擴展，裂紋旁存在較細的漆層開裂情況。裂紋開口由上端向下逐漸變小，說明裂紋是從上向下擴展，擴展后期可見裂紋產(chǎn)生分叉，如圖2所示。

圖1 支座裂紋外觀觀察

圖2 支座裂紋體視觀察

使用機械方法切割支座后，將斷口打開。斷口左側(cè)顏色為銀白色，其余位置為暗灰色，如圖3a所示。放大后觀察銀白色區(qū)域，可見明顯疲勞弧線和焊接氣孔，如圖3b所示。繼續(xù)向右側(cè)觀察，斷口存在明顯密集氣孔區(qū)域，如圖3c所示。人工打斷區(qū)域為白灰色，打斷區(qū)域也觀察到較大氣孔存在，如圖3d所示。

圖3 支座斷口體視觀察

1.3 微觀觀察

將支座斷口浸入丙酮后使用超聲波清洗，清洗完成后使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察支座斷口。首先觀察疲勞區(qū)域，可見疲勞擴展區(qū)域較平坦（見圖4a）。放大后觀察源區(qū)，未見明顯缺陷，擴展區(qū)可見明顯疲勞條帶（見圖4b～圖4g）。氣孔處可見孔內(nèi)部較為光滑（見圖 4h、4i）。

圖4 疲勞區(qū)域斷口微觀形貌

繼續(xù)觀察斷口右側(cè)，該處斷口較為粗糙，見圖5a。斷口上部可見密集氣孔（見圖5b）。斷口處可見粗糙起伏處存在較多縫隙（見圖5c～5e）。放大后觀察，該處為焊接未熔合，收縮凝固結(jié)晶形成的“珊瑚”狀形貌（見圖5f、5g）。

再向右側(cè)觀察原始斷口的最后斷裂區(qū)域，可見斷口下部有大量密集氣孔存在（見圖6a、6b）。繼續(xù)觀察斷口上部可見部分區(qū)域存在未熔合與氣孔（見圖 6c～6f）。

圖5 原始斷口中間部位微觀形貌

圖6 原始斷口最后斷裂區(qū)微觀形貌

觀察人工打斷區(qū)的斷口，該處斷口較為粗糙，放大后可見韌窩形貌，見圖7a和7b。但打斷區(qū)仍可見明顯的密集氣孔，其中最大的氣孔直徑約1.54 mm，見圖7c和7d。

圖7 人工打斷區(qū)斷口微觀形貌

1.4 能譜分析

使用X射線能譜儀測試疲勞斷裂區(qū)域的元素分布。源區(qū)成分如圖8所示，源區(qū)污染較為嚴重，C含量較高；擴展區(qū)的元素分布如圖9所示，該處污染程度降低，基體成分以Al、Si為主。

圖8 源區(qū)成分

1.5 金相檢查

將支座沿焊縫切割，鑲嵌、磨制、拋光后用0.5%HF腐蝕劑腐蝕，進行金相分析。低倍照片如圖10所示，可見明顯熔合線，其中左側(cè)是母材，右側(cè)是焊縫，焊縫區(qū)域可見明顯氣孔。

圖9 擴展區(qū)成分

圖10 截面金相低倍形貌

使用金相顯微鏡觀察焊縫區(qū)域，可見焊縫區(qū)晶粒大小存在區(qū)域差別，見圖11a。較大晶粒區(qū)域的高倍組織見圖11b和11d，較小晶粒區(qū)域的高倍組織見圖11c和圖11e?？梢妰蓚€區(qū)域均為枝晶組織，其中基體為α相，樹枝狀結(jié)構(gòu)為A1-Si、Mg2Si共晶相。

圖11 焊縫區(qū)金相組織

熔合線處組織見圖12a，左下區(qū)域為焊縫，右上區(qū)域為母材。靠近熔合線的焊縫區(qū)域的共晶組織較焊縫中心處更為粗大，見圖12b和12c。

圖12 熔合線處金相組織

繼續(xù)觀察母材區(qū)域組織，可見組織為α（A1）固溶體晶間分布著共晶Si（灰色），如圖13所示。

圖13 母材金相組織

1.6 硬度測試

使用顯微維氏硬度計測量母材與焊縫處的硬度，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果參照HB/Z 215-1992進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后焊縫與母材的強度值均小于σb≥294 MPa的技術(shù)要求。

表1 支座硬度測試結(jié)果

2 分析與討論

由宏微觀分析可知，支座斷裂是由疲勞引起，焊接缺陷的存在導致裂紋快速擴展。宏觀觀察斷口有明顯的疲勞弧線特征。微觀觀察中也發(fā)現(xiàn)擴展區(qū)存在明顯疲勞條帶，可以判斷該裂紋前期斷裂為疲勞斷裂。斷口中后段觀察到的密集氣孔與未熔合特征，說明此時裂紋主要受焊接不良導致的強度不足而引起擴展。經(jīng)分析檢查，該支座在發(fā)現(xiàn)R角處存在裂紋，缺口處不可避免地會產(chǎn)生應力集中，應力集中又必然增加零件的局部應力[8]。因孔、溝槽、缺口、臺階等附近存在應力集中，從而減弱了構(gòu)件的強度，降低了構(gòu)件的承載能力。應力集中是引起構(gòu)件破壞的主要因素，應力集中處往往是構(gòu)件破壞的起始點[9]。使用焊接方法對該處進行修復。相對于其他防銹鋁合金焊接，航空鑄件鋁合金與防銹鋁合金導管的焊接難度較大[10]，并且該處由于需吊掛較重產(chǎn)品，R角處受較大拉應力作用，結(jié)合裂紋處于焊縫邊緣以及疲勞源區(qū)未觀察到明顯缺陷特征，可以判斷該處疲勞主要由拉應力集中引起并在振動應力作用下逐漸擴展，而擴展過程中因存在密集氣孔與未熔合，導致裂紋擴展進一步加快。并且焊后的強度降低也不利于支座該處的疲勞性能。建議后續(xù)嚴格控制焊接過程，增加探傷檢測工序。

3 結(jié)論

（1）支座斷裂由疲勞引起，焊接缺陷的存在導致裂紋快速擴展。

（2）疲勞產(chǎn)生的主要原因是應力集中，應盡可能降低零件上應力集中的影響，如增大過渡圓角半徑、同一零件上相鄰截面處的剛性變化盡可能小等。

（3）嚴格控制焊接過程，增加探傷檢測工序。