鋁合金材料焊接接頭斷裂行為研究

陳文祥

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

近年來(lái)，隨著工業(yè)及制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具也逐漸進(jìn)入大眾視野和生活當(dāng)中，人們的生活水平不斷提高的同時(shí)，對(duì)交通出行的各方面要求也在不斷增加。其中汽車(chē)行業(yè)便是增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一，然而，面對(duì)能源緊張的問(wèn)題，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備輕量化已經(jīng)逐漸成為重點(diǎn)發(fā)展環(huán)節(jié)，鋁合金材料因其綜合性能的特點(diǎn)，如高強(qiáng)度及延伸性好等，逐漸成為汽車(chē)制造行業(yè)中的重要材料，除了節(jié)約成本之外，還能夠大幅度減少材料的消耗，減輕結(jié)構(gòu)重量，有效提升經(jīng)濟(jì)效益，也極大的推動(dòng)了鋁合金材料及焊接技術(shù)工藝的快速發(fā)展。

1 鋁合金焊接接頭表征的作用

在汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，質(zhì)量安全是非常重要的部分，也是社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，在汽車(chē)工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，要充分權(quán)衡車(chē)體的整體重量以及安全性。首先需要保障車(chē)身結(jié)構(gòu)具備靜態(tài)材料力學(xué)性能。而焊接工藝技術(shù)對(duì)保障整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性有著重要的作用，在實(shí)際焊接過(guò)程當(dāng)中，存在一些缺陷，如焊接熱裂紋、不透徹等將會(huì)嚴(yán)重影響汽車(chē)材質(zhì)的安全。此外，焊接工藝技術(shù)和方法、材料性能差異性也是其中重要的影響因素，傳統(tǒng)力學(xué)性能表征不能精確描述不均勻，因此，進(jìn)一步探索新材料的表征特性，能夠描述材料產(chǎn)生的不均勻性。

2 斷裂機(jī)制及研究現(xiàn)狀

2.1 絕熱剪切帶產(chǎn)生機(jī)理及內(nèi)部關(guān)系

通常情況下，金屬材料受到高速?zèng)_擊，會(huì)導(dǎo)致塑性變形，薄弱環(huán)節(jié)局部變形會(huì)導(dǎo)致絕熱剪切帶逐漸形成，便會(huì)產(chǎn)生以下結(jié)果：首先，塑性變形會(huì)出現(xiàn)加工硬化的情況，再者，在加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的熱量，快速升溫，將會(huì)導(dǎo)致材料逐漸軟化，該區(qū)域便會(huì)逐漸變軟，塑性擴(kuò)展變形會(huì)逐漸形成絕熱剪切帶。局部化剪切變形的發(fā)展過(guò)程是極為短暫的，這些因素之間相互影響，局部化變形之后，是一個(gè)軟化的過(guò)程，溫度升高的情況下會(huì)導(dǎo)致熱軟化，在不斷變形過(guò)程中，材料的承載能力也會(huì)下降，材料軟化會(huì)出現(xiàn)微裂紋。

2.2 韌窩斷裂和剪切斷裂

金屬韌性斷裂主要分為韌窩斷裂與剪切斷裂模式，材料韌窩通常情況下主要是由擴(kuò)張以及匯合導(dǎo)致，材料剪切面出現(xiàn)開(kāi)裂?？梢詫⑵湔J(rèn)為是細(xì)觀剪切面逐漸形成的細(xì)觀剪切變形，主要的方式便是晶體間的結(jié)合脫離與局部應(yīng)力作用從而致使破碎，晶體間出現(xiàn)不協(xié)調(diào)導(dǎo)致晶體互相脫離，形成空穴[1]。

其中主要的組成部分便是第二相粒子以及基體，材料當(dāng)中的第二相粒子塑性相對(duì)較差，兩者之間有著一定的差別，如彈性模量不同。在外界作用的影響，基體逐漸變形，其形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，孔洞形核后長(zhǎng)大，在變形過(guò)程中，孔洞的實(shí)際增長(zhǎng)相對(duì)比較緩慢，且會(huì)出現(xiàn)新孔洞形核，孔洞間的變形主要由局部決定，且孔洞間韌帶斷裂也會(huì)導(dǎo)致孔洞連接，斷裂便逐漸產(chǎn)生，斷裂也會(huì)通過(guò)孔洞的裂紋聚合進(jìn)行。

3 鋁合金材料焊接接頭斷裂行為研究

3.1 試驗(yàn)方法

試樣拋光，因?yàn)樵囼?yàn)需要，需要對(duì)試樣進(jìn)行全面的觀察，常用的拋光方法有電解拋光、機(jī)械拋光以及化學(xué)拋光，每種方面都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，且并不適用范圍也有所不同。

機(jī)械拋光主要是對(duì)不同的金屬材料適應(yīng)性特點(diǎn)較長(zhǎng)使用的方法，對(duì)相關(guān)工作人員有著較高的要求，不同材料在實(shí)際操作過(guò)程中具體流程規(guī)范也會(huì)不同，通常應(yīng)用在非常硬的金屬材料中，拋光效果較差[2]。

電解拋光是通過(guò)電化學(xué)對(duì)金相磨面，保障平整光潔，通常情況下，常被應(yīng)用于硬度比較低的金屬材質(zhì)，拋光效果優(yōu)于機(jī)械拋光。不僅能夠節(jié)省時(shí)間，且能夠節(jié)省材料，效果相對(duì)穩(wěn)定?；瘜W(xué)拋光在實(shí)際操作過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)變形層，一般適合軟質(zhì)的材料，整個(gè)操作流程相對(duì)簡(jiǎn)單，且對(duì)整個(gè)尺寸無(wú)特別要求，但是成本相對(duì)較高，消耗較大。根據(jù)鋁合金自身的特點(diǎn)，采用電解拋光法進(jìn)行拋光是非常適合的，機(jī)械拋光很容易會(huì)出現(xiàn)變形層，對(duì)拋光質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。拋光時(shí)間為1分鐘到1.5分鐘左右，用水進(jìn)行加熱，溫度在70℃至90℃之間，電流的密度在1A至2A。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)觀察，能夠發(fā)現(xiàn)變形主要是集中于到頭兩側(cè)區(qū)域，中間區(qū)域晶粒并未發(fā)生變化，應(yīng)力主要集中刀頭兩側(cè)晶粒，首先出現(xiàn)滑移帶，晶粒表面存在較少的滑移帶，且滑移帶方向與加載方向相同，切應(yīng)變逐漸增加，滑移帶數(shù)量逐漸增多，加載方向逐漸產(chǎn)生微裂紋，兩條裂縫方向和加載方向一致，主要是因?yàn)榫ЯＰ纬蒣3]。動(dòng)載環(huán)境下，局部剪切帶的發(fā)展時(shí)間非常短暫，通常認(rèn)為剪切變形帶產(chǎn)生是克服其他條件的結(jié)果。材料軟化過(guò)程中，溫度會(huì)逐漸升高，導(dǎo)致出現(xiàn)熱軟化，材料軟化主要表現(xiàn)在微裂紋或者是孔洞的形成、連接，剪切變形帶主要是在非常窄的剪切面形成。剪切變形帶軟化通常是因裂紋導(dǎo)致產(chǎn)生的?；茙?shù)量不斷增多的同時(shí)，晶粒加載方向也會(huì)逐漸被拉長(zhǎng)，在不斷發(fā)展過(guò)程中，便能夠看到比較粗的滑移帶形成，應(yīng)變逐漸增大，晶粒樣貌也會(huì)發(fā)生變化，晶體便會(huì)出現(xiàn)塑性變形，滑移帶大致方向與之接近。

熱影響區(qū)加載過(guò)程當(dāng)中，在熱影響區(qū)晶粒會(huì)受到焊接產(chǎn)生的熱量影響，基體會(huì)發(fā)生分解，組織便會(huì)受到很大的影響。試樣變形通常主要集中于刀頭兩側(cè)區(qū)域，在遠(yuǎn)離刀頭的區(qū)域沒(méi)有顯著的變化，與母材變化狀況是相同的。切應(yīng)變?yōu)榻鹣嘟M織，能夠看到較少的滑移線，并有少量皺褶出現(xiàn)，切應(yīng)變不斷增大的時(shí)候，滑移線也會(huì)逐漸增加，皺褶也會(huì)不斷增多，形變逐漸增加。應(yīng)變繼續(xù)增大的情況下，變形也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。繼續(xù)加載，就會(huì)導(dǎo)致斷裂。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，各行各業(yè)也得到了蓬勃的發(fā)展，人們對(duì)于能源的需求也在不斷增加，鋁合金材料因其自身存在的優(yōu)點(diǎn)和特性，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空等領(lǐng)域生產(chǎn)當(dāng)中，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著重要的影響。當(dāng)前，在焊接工藝當(dāng)中雖然存在一些問(wèn)題，只要堅(jiān)持不懈的努力和探索，便能夠提升鋁合金材料的性能和特質(zhì)，更好的服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。