6061-T6鋁合金激光-MIG復(fù)合焊廣域環(huán)境下疲勞性能研究

毛鎮(zhèn)東　韓曉輝　龐西南　趙旭　李帥貞

摘要：以磁懸浮列車底架地板用6061-T6鋁合金為對象，研究了6061-T6鋁合金激光-MIG復(fù)合焊焊接接頭在低高溫（-40 ℃、常溫、70 ℃）的疲勞性能，為廣域環(huán)境條件下磁懸浮列車設(shè)計提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：常溫條件下的疲勞極限為67.1 MPa，焊縫斷口具有明顯的勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)，疲勞擴展區(qū)存在明顯的疲勞輝紋，局部存在不同族簇疲勞輝紋，瞬時斷裂區(qū)有明顯的韌窩結(jié)構(gòu)，瞬斷區(qū)為韌性斷裂;低溫（-40 ℃）條件疲勞極限為61.3 MPa，焊縫斷口疲勞輝紋細(xì)而致密，存在大量的二次裂紋，焊縫韌塑性降低;高溫（70 ℃）條件疲勞極限為56.2 MPa，焊縫疲勞斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征，大量脆性疲勞輝紋分布于斷口且瞬斷區(qū)為典型的聚集型韌窩特征。

關(guān)鍵詞：6061-T6鋁合金;焊接接頭;廣域環(huán)境;疲勞性能

中圖分類號：TG457.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0083-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.15

0 前言

6061-T6鋁合金是A1-Mg-Si系可熱處理強化鋁合金，具有強度高、塑韌性好、可焊性、耐腐蝕性和擠壓性優(yōu)異等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、航海以及軌道車輛等領(lǐng)域[1-3]。磁懸浮列車應(yīng)用于高寒帶到熱帶，運行環(huán)境復(fù)雜，自然條件惡劣，而當(dāng)前底架地板用鋁合金材料在廣域環(huán)境下的疲勞性能數(shù)據(jù)卻鮮見報道，因此高寒列車的材料選取設(shè)計仍以常溫下材料的性能參數(shù)為依據(jù)，使其在廣域環(huán)境下的運行存在極大的安全隱患[1]。為解決以上問題，本文研究了國產(chǎn)6061-T6鋁合金激光-MIG復(fù)合焊帶余高焊接接頭在低溫（-40 ℃）、常溫、高溫（70 ℃）下的疲勞性能，分析低溫下焊接接頭強度與溫度的關(guān)系及高低溫接頭失效機理，為高速列車在廣域環(huán)境下的運行提供理論數(shù)據(jù)支撐，具有重要的應(yīng)用價值。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為國產(chǎn)6061-T5鋁合金型材，供貨狀態(tài)T6（拉伸消除內(nèi)應(yīng)力），厚度3 mm，選用直徑為φ1.2 mm的ER5356焊絲，化學(xué)成分如表1所示。采用激光-MIG復(fù)合焊，焊接工藝參數(shù)為：激光功率7 kW，焊接速度4 m/min，MIG電弧電流250 A，電壓24 V，送絲速度11 m/min，保護氣流量15 L/min，可獲得質(zhì)量優(yōu)良的余高焊接接頭。

參考GB/T3075-2008《金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1所示。使用電磁激勵疲勞試驗機在不同溫度下（-40 ℃、常溫、70 ℃）測試試件的疲勞性能，載荷種類為軸向拉伸，試驗應(yīng)力比R（σmin/σmax）=0.1，試驗頻率80～120 Hz。疲勞試驗在型號JA-1260-D恒溫高頻振動試驗機箱體中進(jìn)行，測試激光-MIG復(fù)合焊6061-T6鋁合金帶余高焊接接頭在不同應(yīng)力條件下的疲勞壽命。使用掃描電子顯微SEM（JSM 6490LV）觀察疲勞試樣斷口微觀形貌，分析試樣失效原因。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同溫度條件的疲勞強度

-40 ℃條件下6061-T6鋁合金激光MIG復(fù)合焊帶余高焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)擬合曲線如圖2所示，其疲勞極限為61.3 MPa;常溫條件下6061-T6鋁合金激光MAG復(fù)合焊帶余高焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)擬合曲線如圖3所示，其疲勞極限為67.1 MPa。

高溫70 ℃條件下6061-T6鋁合金激光MAG復(fù)合焊帶余高焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4所示，其疲勞極限為56.2 MPa。

對比不同溫度條件下的疲勞極限可知，常溫條件疲勞強度最高，低溫疲勞強度次之，高溫最低。

2.2 疲勞斷口分析

-40 ℃條件下應(yīng)力80 MPa、疲勞循環(huán)壽命為1.059 1×106次時焊縫疲勞失效試樣的典型微觀形貌如圖5所示。圖5a、5b表明疲勞起源于試樣表面，裂紋源區(qū)未見明顯缺陷，鄰近裂紋源區(qū)存在明顯解理斷裂花樣，解理面上可觀察到河流花樣[4];圖5c為裂紋擴展區(qū)的典型形貌，疲勞輝紋特征明顯，脆性疲勞輝紋細(xì)而致密，未見明顯塑性疲勞輝紋，大量二次裂紋近似呈平行排列分布于不同位置，其中裂紋擴展區(qū)占試樣厚度90%[5]。在低溫條件下，試件韌塑性降低與微觀結(jié)構(gòu)保持一致。

常溫條件下在應(yīng)力80 MPa、疲勞循環(huán)壽命為798 500次時焊縫斷口的微觀形貌如圖6所示。圖6a為斷口宏觀形貌，包括疲勞源區(qū)和疲勞擴展區(qū);圖6b為疲勞源區(qū)的放大圖，包括疲勞源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷;圖6c為擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)的過渡區(qū)，瞬時斷裂區(qū)有明顯的韌窩結(jié)構(gòu)，韌性斷裂。

常溫條件下在應(yīng)力120 MPa、疲勞循環(huán)壽命為44 307次時焊縫斷口微觀形貌如圖7所示。圖7a為斷口的宏觀形貌，未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷，疲勞源區(qū)具有明顯的解理特征，解理面上存在明顯的河流花樣。圖7b為疲勞擴展區(qū)的疲勞輝紋，輝紋之間間距較為均勻，約為3 μm[5]。圖7c為擴展區(qū)和瞬斷區(qū)的過渡區(qū)域，瞬斷區(qū)斷口表面存在明顯的滑移線，這是因為試樣在120 MPa高應(yīng)力水平條件下焊縫產(chǎn)生了較大的塑性變形[6]。

70 ℃條件下試樣在應(yīng)力63.6 MPa、疲勞循環(huán)壽命為2.081×106次時焊縫斷口的微觀形貌如圖8所示。圖8a可觀察到疲勞起源于試樣表面，源區(qū)未見明顯缺陷，斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征，擴展后期可觀察到氣孔，大量脆性疲勞輝紋分布于斷口;圖8b、圖8c和圖8d分別為疲勞穩(wěn)定擴展區(qū)、疲勞條帶和典型的聚集型韌窩。

70 ℃條件下，試樣在應(yīng)力91.8 MPa、疲勞循環(huán)壽命為6.707×105次時焊縫斷口的微觀形貌如圖9所示。疲勞起源于試樣表面（見圖9a），源區(qū)存在亮白色條狀物質(zhì)。圖9b為應(yīng)力集中易在其界面產(chǎn)生，導(dǎo)致裂紋容易形核。擴展區(qū)（見圖9c）以準(zhǔn)解理斷裂為主，局部存在少量的解理面，且疲勞輝紋和二次裂紋特征明顯，裂紋貫穿試樣厚度。瞬斷區(qū)（見圖9d）分布有大量韌窩，極少數(shù)大韌窩內(nèi)部有大量小韌窩。

通過分析不同溫度條件下的疲勞斷口發(fā)現(xiàn)，均具有典型的疲勞斷裂特征，未發(fā)現(xiàn)明顯因焊接缺陷導(dǎo)致的疲勞裂紋擴展斷裂。通過比較低溫和常溫80 MPa時的疲勞斷口，溫度對擴展區(qū)、疲勞輝紋及瞬斷區(qū)的微觀形貌影響較為明顯。

3 分析討論

對比了不同溫度、不同應(yīng)力水平下的斷口特征如圖5～圖9所示，裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)差異明顯。80 MPa低溫（-40 ℃）條件下疲勞失效試樣斷口呈準(zhǔn)解理和解理斷裂混合特征。70 ℃不同應(yīng)力水平下斷口特征與之類似。而80 MPa常溫條件下失效試樣的斷口解理特征不明顯。不同溫度、應(yīng)力水平條件下輝紋特征也不盡相同，包括塑性疲勞輝紋（見圖7）和脆性疲勞輝紋（見圖9）。裂紋擴展形貌存在較大差異，反映出焊接過程中接頭微區(qū)組織的不均勻性。瞬斷區(qū)均為典型的微孔聚集型斷裂。裂紋擴展后期，試樣有效承載面積減少，局部位置開始出現(xiàn)大量的微孔洞，并不斷聚集、長大，最終發(fā)生塑性撕裂，形成韌窩。

Andreev L P等[7]研究了鋁合金和鈦合金在20 ℃，-196 ℃和-269 ℃條件下的疲勞極限。對于均質(zhì)母材試樣，與室溫相比，溫度的降低影響了運動位錯的密度，位錯不易在試樣表面或內(nèi)部局部區(qū)域堆積，裂紋形核過程增長，疲勞極限增加。對于6061-T6鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭，溫度由室溫降至

-40 ℃時，考慮到接頭組織的異質(zhì)性，低溫時組織不均勻性引發(fā)的脆化效應(yīng)凸顯，焊趾處的應(yīng)力集中會增強惡化效果，導(dǎo)致裂紋在焊趾處萌生，疲勞極限降低。接頭與母材疲勞極限呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。對于母材而言，溫度從室溫增加至更高溫度，運動位錯密度增加，裂紋萌生過程變短，通常會導(dǎo)致疲勞極限的降低[8-9]。對于6061-T6鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭，溫度從室溫增加至70 ℃，組織不均勻性惡化效應(yīng)會降低，但運動位錯密度增加導(dǎo)致焊趾處塞積大量位錯，裂紋形核加速，疲勞極限呈現(xiàn)降低趨勢。70 ℃條件下疲勞極限低于-40 ℃條件下的，這意味著目前試驗條件下運動位錯堆積引起的惡化效應(yīng)高于低溫不均質(zhì)組織的脆化引起的強度惡化。

4 結(jié)論

（1）6061-T6激光-MIG復(fù)合焊接帶余高接頭低溫和高溫的疲勞性能均比常溫疲勞性能差，其中低溫疲勞性能最差，僅為常溫疲勞性能的91.4%;常溫疲勞極限達(dá)到67.1 MPa;70 ℃疲勞極限達(dá)到56.2 MPa。

（2）6061-T6激光-MIG復(fù)合焊接帶余高接頭在

-40 ℃條件下的焊縫疲勞斷裂區(qū)域存在大量的脆性疲勞輝紋和大量二次裂紋平行排列，因此極寒溫度條件下會導(dǎo)致焊縫區(qū)域脆性增加，疲勞強度降低。

（3）6061-T6激光-MIG復(fù)合焊接帶余高接頭在70 ℃條件下，焊縫界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核，同時在疲勞裂紋擴展中觀察到部分脆性疲勞輝紋和二次裂紋，導(dǎo)致疲勞強度降低，但略高于極寒條件的疲勞強度。

（4）6061-T6激光-MIG復(fù)合焊接接頭在廣域環(huán)境中的設(shè)計應(yīng)充分考慮極寒溫度的疲勞強度僅為常溫的80%的試驗數(shù)據(jù)。

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