異種鋁合金搭接焊接頭的疲勞特性及其壽命預(yù)測

許 諾 金 一 張 梅

(1.上海汽車集團(tuán)技術(shù)中心, 上海 201804； 2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

輕量化是汽車的發(fā)展趨勢。鋁制汽車構(gòu)件具有一系列優(yōu)良特性，如密度小，比強(qiáng)度和比剛度高，抗沖擊性能、耐蝕性好，表面易著色等，在汽車工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

很多鋁制汽車構(gòu)件是焊接而成的。然而由于鋁合金焊接時易氧化和吸氣、導(dǎo)熱快以及易變形等，與鋼相比有較大差異，較難焊接。為此鋁合金的焊接都采用較先進(jìn)的焊接設(shè)備、焊接工藝及焊接材料，鋁合金的焊接技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。

Fronius公司在2002年開發(fā)了冷金屬過渡(CMT, cold metal transition)技術(shù)，它是基于短路過渡電弧的“專業(yè)系統(tǒng)化中斷”技術(shù)實現(xiàn)“熱—冷—熱—冷”交替的焊接工藝，可減小電弧壓力和能量輸入，是一種全新的短路過渡技術(shù)，實質(zhì)上是熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG, metal inertia gas)的一種。與普通MIG焊相比，CMT焊具有無焊渣飛濺、熱輸入較低等優(yōu)點[2- 3]，適合焊接薄板或超薄板，在鋁合金焊接中應(yīng)用廣泛。

本文研究用合金是最常用的6082變形鋁合金和A356鑄造鋁合金。雖然有研究涉及到了這兩種材料的熱處理工藝、組織和性能等[4]，現(xiàn)有文獻(xiàn)也有一些關(guān)于采用CMT工藝焊接變形鋁合金的報道[5- 8]，但對于6082變形鋁合金與A356鑄造鋁合金的焊接接頭性能的研究報道較少，尤其是有關(guān)異種鋁合金焊接接頭疲勞特性的研究十分匱乏。目前，為實現(xiàn)汽車輕量化，在變形鋁合金與鑄造鋁合金的焊接方面尚存在諸多問題，亟待解決。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

對A356合金板和6082合金板進(jìn)行搭接焊，而后從搭接焊接頭上切取疲勞試樣進(jìn)行應(yīng)變疲勞試驗，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得搭接焊接頭的應(yīng)變疲勞特性參數(shù)。

兩種鋁合金板的尺寸均為2.5 mm×200 mm×200 mm，采用CMT工藝進(jìn)行雙焊縫搭接焊，焊后去除焊縫余高，并按國標(biāo)進(jìn)行取樣，分別在起弧與收弧預(yù)留25 mm處取樣。圖1為搭接處厚度為2.5 mm的雙搭接焊接頭試樣的示意圖和實物，將焊縫中心置于平行段中部，目的是盡可能考慮到焊縫與焊接熱影響區(qū)對其疲勞性能的影響。考慮到搭接試樣的特殊性，為防止試樣彎曲，設(shè)計了相應(yīng)的疲勞試驗專用夾具，在疲勞試驗中裝配。試驗根據(jù)GB/T 26077—2010《金屬材料軸向等幅低循環(huán)應(yīng)變疲勞試驗》進(jìn)行。

圖1 A356- 6082合金搭接焊接頭低周疲勞試樣示意圖及試樣夾具Fig.1 Low- cycle fatigue test specimen taking from the lap- welded joint of the A356 and 6082 alloys and its fixture

1.2 試驗標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備

按GB/T 26077—2010和GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的采集、整理及后續(xù)的繪圖和曲線擬合，然后確定各項參數(shù)。試驗在MTS電液伺服疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行。

1.3 試驗方法

低周疲勞應(yīng)變幅分別為0.2%、0.265%、0.4%、0.465%、0.535%，每個應(yīng)變幅至少重復(fù)試驗3次。按GB/T 26077—2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合后得到接頭的疲勞參數(shù)σf′、b、εf′、c、K′和n′。

2 原始數(shù)據(jù)及其處理

2.1 低周疲勞數(shù)據(jù)

首先導(dǎo)出試驗機(jī)采集到的力和位移的數(shù)據(jù)，采用式(1)和式(2)將其換算成應(yīng)力和應(yīng)變。

σ=F/S

(1)

ε=1-(l0×εt)/(2la)

(2)

式中：F為采集到的力，S為試件的橫截面積，l0為位移中值，εt為試件的總應(yīng)變，la為位移幅值。

根據(jù)GB/T 26077—2010擬合疲勞壽命曲線，通過滯后曲線(見圖2)得到塑性應(yīng)變幅值， 彈性應(yīng)變幅值由總應(yīng)變幅值與塑性應(yīng)變幅值相減得到。試樣的總應(yīng)變則通過圖像的采集系統(tǒng)計算得到，根據(jù)式(3)便可計算出試樣的彈性應(yīng)變幅值。

Δεe/2=εt/2-Δεp/2

(3)

圖2 滯后曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of hysteresis loop

2.2 低周疲勞試驗原始數(shù)據(jù)

表1為A356- 6082合金搭接焊接頭的低周疲勞試驗原始數(shù)據(jù)。

表1 A356- 6082合金搭接焊接頭低周疲勞試驗原始數(shù)據(jù)Table 1 Original low- cycle fatigue test data on lap- welded joints of the A356 and 6082 alloys

2.3 低周疲勞特性參數(shù)

根據(jù)疲勞試驗的特點，應(yīng)力幅值Δσ/2、疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf′和疲勞壽命Nf之間存在如下關(guān)系：

Δσ/2=σf′+×(2Nf)b

(4)

疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf′、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b、彈性應(yīng)變幅值Δεe/2和疲勞壽命Nf存在以下關(guān)系：

Δεe/2=(σf′/E)×(2Nf)b

(5)

對式(5)兩邊求對數(shù),得：

log(Δεe/2)=log(σf/E)+blog(2Nf)

(6)

根據(jù)式(6)可將log(2Nf)和log(Δεe/2)擬合成一條直線，即2Nf—Δεe/2，其中b為斜率，log(σf/E)為截距。

同理，疲勞延性εf′、疲勞延性指數(shù)c、塑性應(yīng)變幅Δεp/2和疲勞壽命2Nf存在以下關(guān)系：

Δεp/2=εf′×(2Nf)c

(7)

循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)K′、循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′、塑性應(yīng)變幅值Δεp/2和應(yīng)力幅值Δσ/2存在以下關(guān)系：

Δσ/2 =K′×(Δεp/2)n′

(8)

對式(7)和式(8)兩邊取對數(shù)，分別可以得到斜率為c和n′、截距為logεf′和logK′的直線，即Δεp/2—2Nf和Δσ/2—Δεp/2曲線。根據(jù)GB/T 26077—2010采用恒應(yīng)變頻率控制方法進(jìn)行試驗，頻率為1 Hz。

3 低周疲勞特性

根據(jù)低周疲勞數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)以及Mansion- Coffion(M- C)方程(式(4)、(5)和(7))，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性曲線擬合,得到的結(jié)果如圖3和圖4所示，并將擬合得到的低周疲勞特性參數(shù)列于表2。通過疲勞參數(shù)的導(dǎo)入，采用數(shù)值模擬軟件Ansysncode預(yù)測疲勞行為，并進(jìn)行試驗驗證。

圖3和圖4為搭接焊接頭試樣的循環(huán)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線、應(yīng)變- 循環(huán)次數(shù)曲線以及根據(jù)M- C方程擬合的參數(shù)曲線。

圖3 循環(huán)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(a)和E- N曲線(b)Fig.3 Dependences of cyclic stress on strain (a) and of E on N (b)

圖4 △εp/2-2Nf關(guān)系(a)和△εe/2-2Nf關(guān)系(b)Fig.4 Dependences of △εp/2 on 2Nf (a) and of △εe/2 on 2Nf (b)

表2 疲勞特性參數(shù)匯總Table 2 Summary of the fatigue characteristic parameters

4 鋁合金副車架疲勞壽命預(yù)測及驗證

4.1 疲勞壽命預(yù)測

圖5為前副車架的有限元模型。鋁合金副車架車身連接為硬連接，采用約束法求解準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力。鋁合金副車架主要風(fēng)險區(qū)域為焊縫區(qū)，主要包括橫梁與縱梁連接處的焊縫、轉(zhuǎn)向機(jī)支架處焊縫和穩(wěn)定桿支架根部焊縫。

鋁合金焊縫疲勞性能采用靜態(tài)工況預(yù)測，求得峰值載荷下的應(yīng)力后，根據(jù)應(yīng)力曲線進(jìn)行線性疊加，通過NCODE軟件采用E-N曲線求解。通過優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)和焊接走向，有效減少了疲勞損傷，如圖6所示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大損傷為0.22， 低于軟件設(shè)定的開裂門檻值2.5，滿足設(shè)計要求。

圖5 前副車架有限元模型Fig.5 Finite element model of the front sub- frame

圖6 前副車架焊縫的疲勞損傷分布Fig.6 Fatigue- damaged distributions of welding seam for the front sub- frame

4.2 驗證

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前副車架進(jìn)行單通道臺架試驗，以驗證預(yù)測的疲勞壽命。圖7為進(jìn)行疲勞臺架試驗的前副車架。試驗結(jié)果表明，4組試件試驗至3倍以上的目標(biāo)壽命均未開裂。此外，將按優(yōu)化方案焊接的前副車架裝車，通過了道路試驗場100%驗證，均未開裂。

圖7 臺架試驗中的前副車架Fig.7 Front sub- frame during bench test

5 結(jié)論

(1)試驗鋁合金A356- 6082搭接焊接頭的應(yīng)變疲勞特性如下：

Δεp/2=503.7×(△εp/2)0.123，

Δεp/2=0.264 6×(2Nf)-0.577，

(2Nf)-0.577。

(2)采用試驗獲得的疲勞特性參數(shù)進(jìn)行構(gòu)件的疲勞仿真分析，前副車架臺架疲勞損傷符合要求，臺架試驗結(jié)果表明，CAE壽命預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果吻合。前副車架裝車通過了道路耐久性驗證，證實采用試驗所得的疲勞特性參數(shù)預(yù)測的疲勞壽命準(zhǔn)確，預(yù)測方法可靠。