基于數(shù)字圖像相關(guān)法的A7N01-T4鋁合金焊接接頭循環(huán)變形行為實(shí)驗(yàn)研究

黃 琰,闞前華,羅會(huì)亮,馬傳平

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

材料在非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)過程中產(chǎn)生的塑性變形累積現(xiàn)象稱為棘輪效應(yīng)[1]，棘輪效應(yīng)給結(jié)構(gòu)可靠性和安全性帶來了危害，美國的ASME規(guī)范、德國的KTA規(guī)范、法國RCC-MR規(guī)范和日本的C-TDF規(guī)范均對(duì)棘輪效應(yīng)給出了明確的評(píng)定要求。近20年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼、鎂合金、鈦合金等金屬材料的棘輪行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，討論了加載水平、加載歷史、加載溫度、加載路徑等因素對(duì)棘輪行為的影響[2-6]，取得了豐碩的成果。

焊接接頭由于其特殊的異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致變形場(chǎng)的非均勻性，成為疲勞失效的頻發(fā)區(qū)域，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。例如：杜俊杰[7]討論了加載率、應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力對(duì)16MnR母材和焊接接頭棘輪特性的影響；張尚林等[8]利用有限元軟件ABAQUS中的Chaboche循環(huán)本構(gòu)模型對(duì)25Cr2Ni2MoV鋼焊接接頭的循環(huán)變形行為、局部塑性行為進(jìn)行了有限元模擬與分析。

高速列車車體結(jié)構(gòu)用A7N01-T4鋁合金焊接接頭在服役過程中經(jīng)常承受非對(duì)稱的應(yīng)力循環(huán)載荷。目前對(duì)A7N01-T4鋁合金焊接接頭這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)件的研究主要集中于組織不均勻性、疲勞裂紋擴(kuò)展、應(yīng)力腐蝕、循環(huán)軟硬化特征等方面[9-14]，缺乏對(duì)A7N01-T4鋁合金焊接接頭棘輪行為的研究。然而，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，上述研究沒有針對(duì)焊接分區(qū)的非均勻應(yīng)變分布特征和循環(huán)變形行為進(jìn)行深入討論。

數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)是近年來興起的一種三維應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，它通過分析變形前后圖像的系統(tǒng)相關(guān)性，計(jì)算得到位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非均勻應(yīng)變場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)[15]。DIC在研究焊接接頭這種不均勻性異質(zhì)構(gòu)件時(shí)優(yōu)點(diǎn)顯著，不僅可以實(shí)時(shí)觀測(cè)焊接接頭的應(yīng)變場(chǎng)分布，而且可以分區(qū)處理統(tǒng)計(jì)出焊接接頭分區(qū)(焊縫、熱影響區(qū)和母材)的平均應(yīng)變[16-19]。

因此，本文基于DIC方法揭示A7N01-T4鋁合金MIG焊焊接接頭在應(yīng)力循環(huán)載荷作用下的變形行為，揭示焊接接頭不同分區(qū)的棘輪行為與加載應(yīng)力水平和加載歷史的關(guān)系，為高速列車車體的安全性評(píng)估提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為尺寸600 mm×400 mm×10 mm的A7N01-T4鋁合金板材，采用直徑為1.6 mm的ER5356焊絲對(duì)焊。焊機(jī)為EWM公司Phoenix421 Expert Force Arc MIG焊機(jī)，保護(hù)氣為99.9%氬氣，坡口形式為70o的V形。采用雙脈沖MIG焊，工藝參數(shù)如下：電壓19～23 V，焊接時(shí)間38～42 s，電流110～160 A，保護(hù)氣體流量25 L/min。

1.2 試樣制備

在焊接好的A7N01-T4鋁合金焊接板上加工試驗(yàn)試樣。板材上下表面各銑削切割去1 mm，加工得到70 mm×8 mm×3.5 mm的直邊切片接頭試件。由于焊接接頭強(qiáng)度低于純母材，該試樣設(shè)計(jì)方案可確保焊接軟化區(qū)位于標(biāo)距段內(nèi)。純母材試樣則專門設(shè)計(jì)了寬14 mm厚3.5 mm的夾持端，標(biāo)距段尺寸為30 mm×8 mm×3.5 mm，橫截面積與接頭試樣相同。進(jìn)行單軸拉伸和循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，DIC參考區(qū)域代表焊接接頭整體應(yīng)變分布，進(jìn)而在參考區(qū)域內(nèi)分區(qū)處理得到焊縫區(qū)(WZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、母材區(qū)(BM)的應(yīng)變場(chǎng)分布。根據(jù)GB/T4342《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》使用HVS-30顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，荷載為3 kN，加載時(shí)間10 s。硬度壓痕測(cè)試在焊接試樣側(cè)面進(jìn)行，焊縫和熱影響區(qū)位置約16 mm，位置的測(cè)點(diǎn)間隔1 mm，其他測(cè)試點(diǎn)間隔2 mm，如圖1右所示。

圖1 焊接接頭取樣示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

單軸拉伸和應(yīng)力控制循環(huán)變形實(shí)驗(yàn)在MTSBionix-858試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Flex-Test 40，DIC測(cè)量系統(tǒng)為ARAMIS5M-3D。實(shí)驗(yàn)開始前在試樣表面噴制白底黑漆且分布隨機(jī)的散斑點(diǎn)，作為DIC測(cè)量的參考點(diǎn)，然后進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)稱應(yīng)變控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)和非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

單調(diào)拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)接頭試件和純母材試樣進(jìn)行拉伸速率為0.14 mm/s的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，DIC處理得到焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)、母材區(qū)和純母材的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

單軸對(duì)稱應(yīng)變控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，恒定應(yīng)變幅值控制通過MTS控制系統(tǒng)Flex-Test 40中位移加載控制來實(shí)現(xiàn)，未采用引伸計(jì)來控制。原因在于：1)采用應(yīng)變引伸計(jì)只能控制標(biāo)距段的應(yīng)變幅值，而DIC可以觀測(cè)到整個(gè)焊接接頭及其分區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)分布；2)采用引伸計(jì)和DIC時(shí)，綁定引伸計(jì)的裝置會(huì)遮擋試樣噴制的DIC參考散斑點(diǎn)，影響DIC數(shù)據(jù)的采集。因此在MTS-Flex-Test 40控制系統(tǒng)設(shè)置對(duì)稱位移控制循環(huán)的實(shí)驗(yàn)，以觀察焊接接頭的循環(huán)軟硬化特征。位移加載水平為±0.2 mm，加載速率0.04 mm/s。

非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，棘輪應(yīng)變?chǔ)舝定義為：εr=(εmax+εmin)/2，其中εmax和εmin表示每一個(gè)循環(huán)中響應(yīng)的最大應(yīng)變和最小應(yīng)變值。實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)力率為20 MPa/s，加載波形均為三角波形。將應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)的接頭試樣和母材試樣編號(hào)為1#～7#。表1為1#～7#試樣的具體工況，分別討論應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力對(duì)棘輪行為的影響。

表1 非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微硬度

焊接接頭試樣的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，焊接接頭顯微硬度以焊縫中心線為對(duì)稱軸呈近似對(duì)稱分布，焊縫中心硬度較低，焊縫兩邊的硬度均比原始母材的硬度低，隨著距焊縫中心距離的增大，硬度逐漸趨于穩(wěn)定值。焊縫中心硬度最低，最低約71 HV，母材硬度最高，最高約134 HV。顯微硬度測(cè)試清晰地揭示了焊接分區(qū)的分布規(guī)律，可作為后續(xù)DIC應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量的依據(jù)。

圖2 焊接接頭顯微硬度

2.2 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)、母材區(qū)域可通過顯微硬度分布來區(qū)分。如圖3(a)所示，在DIC獲取的單拉應(yīng)變場(chǎng)中將焊接接頭近似分成焊縫、熱影響區(qū)和母材3部分，采用白色虛線表示各分區(qū)的分界線。圖3(b)顯示了單調(diào)拉伸應(yīng)變場(chǎng)中路徑L上的軸向應(yīng)變與該路徑顯微硬度的對(duì)比曲線。由圖可見，顯微硬度與應(yīng)變場(chǎng)分布具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這表明，采用DIC測(cè)量分區(qū)應(yīng)變場(chǎng)分布的方法是可行的。

圖3 焊接接頭應(yīng)變場(chǎng)分布與顯微硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

需要說明，圖3(b)中的軸向應(yīng)變是通過DIC測(cè)量各分區(qū)的平均應(yīng)變，即對(duì)焊縫、熱影響區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均化處理。

A7N01-T4鋁合金焊接接頭整體、焊縫、熱影響區(qū)與純母材試件單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，加載速率為0.14 mm/s。焊接接頭和純母材拉伸性能見表2。

圖4 焊接接頭和純母材單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

區(qū)域彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%焊縫 7114027223熱影響區(qū)701582657.5母材 7732543516接頭整體721612727.1

由圖4可以看出，A7N01-T4鋁合金母材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于焊縫和熱影響區(qū)，直至接頭試件斷裂，接頭母材處于彈性變形階段。接頭拉伸應(yīng)力不到140 MPa時(shí)，焊接接頭各分區(qū)都處于彈性變形階段。拉伸應(yīng)力在140～160 MPa之間時(shí)，只有焊縫進(jìn)入塑性，焊縫承擔(dān)該階段拉伸過程的主要變形。拉伸應(yīng)力在160～320 MPa之間時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)承擔(dān)該階段拉伸過程的主要變形，隨著拉伸進(jìn)行，焊縫應(yīng)變場(chǎng)急劇變化，直至斷裂。

不同時(shí)刻焊接接頭拉伸過程中的應(yīng)變場(chǎng)分布如圖5所示。由圖可知，最大應(yīng)變發(fā)生在焊縫區(qū)，其次為熱影響區(qū)，母材區(qū)應(yīng)變最小。隨著拉伸應(yīng)變的增加，焊縫區(qū)應(yīng)變分布范圍逐漸擴(kuò)展，并逐漸均勻分布在焊縫區(qū)，試樣斷裂前出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象。通過DIC技術(shù)，可以十分直觀地獲取焊接區(qū)非均勻的應(yīng)變場(chǎng)，通過平均化處理方法，進(jìn)而獲得各分區(qū)的平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線，這為焊接接頭強(qiáng)度評(píng)定提供了定量分析方案。

圖5 單調(diào)拉伸時(shí)焊接接頭應(yīng)變場(chǎng)分布

2.3 單軸非對(duì)稱應(yīng)變循環(huán)

A7N01-T4鋁合金焊接接頭在恒定應(yīng)變幅值為0.5%時(shí)的對(duì)稱應(yīng)變控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖可知，材料在加載工況的前3個(gè)循環(huán)周次體現(xiàn)出一定的循環(huán)硬化特征，之后響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)周次的增加基本保持不變，即該合金可認(rèn)定為循環(huán)穩(wěn)定材料。

圖6 焊接接頭的應(yīng)力幅值隨循環(huán)周次變化曲線

2.4 單軸非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)

圖7顯示了A7N01-T4鋁合金非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，接頭的加載應(yīng)力水平為20±200 Pa。根據(jù)圖4單軸拉伸實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)接頭試樣承受20±200 Pa加載水平時(shí)，母材仍處于彈性變形階段，不能揭示母材塑性屈服后的循環(huán)變形特征。因此純母材試件的加載應(yīng)力水平設(shè)置為70±320 MPa，以便揭示母材的循環(huán)變形行為。由圖可知，隨著循環(huán)周次的增加，A7N01-T4鋁合金焊接接頭整體和各分區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)隨循環(huán)周次的增加變化不大，呈現(xiàn)出棘輪安定狀態(tài)。

圖8表示棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次演化曲線?？梢钥闯?，焊縫、熱影響區(qū)和焊接接頭整體的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的增加幾乎不改變，即A7N01-T4鋁合金焊接接頭的整體、焊縫、焊接熱影響區(qū)和母材均表現(xiàn)出棘輪安定狀態(tài)。

進(jìn)一步提取不同循環(huán)周次下焊接接頭的應(yīng)變場(chǎng)分布云圖，如圖9所示。由圖可見，應(yīng)力循環(huán)加載條件下熱影響區(qū)和焊縫主導(dǎo)了焊接接頭的塑性變形；與單軸拉伸結(jié)果類似，焊縫和熱影響區(qū)的應(yīng)變明顯高于母材區(qū)，熱影響區(qū)、焊縫區(qū)內(nèi)的應(yīng)變場(chǎng)分布不均勻；不同循環(huán)周次下焊接接頭的應(yīng)變場(chǎng)分布特征幾乎未發(fā)生變化。

進(jìn)一步調(diào)查不同應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力對(duì)焊接接頭棘輪變形的影響，結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯珹7N01-T4鋁合金焊接接頭棘輪應(yīng)變隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增加變化微弱，即使應(yīng)力幅值增加到220 MPa、平均應(yīng)力增加到60 MPa，棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的演化規(guī)律仍未發(fā)生改變。這表明，焊接接頭在不同非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載條件下塑性變形的累積均不明顯，接頭整體抵抗棘輪變形的能力強(qiáng)，出現(xiàn)了棘輪安定狀態(tài)。

圖7 焊接接頭和純母材非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次演化關(guān)系

圖9 非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)加載下焊接接頭應(yīng)變場(chǎng)分布

圖10 外加應(yīng)力水平對(duì)棘輪變形的影響

圖11顯示了應(yīng)力加載歷史對(duì)焊接接頭棘輪行為的影響。結(jié)果表明，先前較大應(yīng)力水平的循環(huán)明顯抑制了后續(xù)較小應(yīng)力循環(huán)下棘輪應(yīng)變的產(chǎn)生，而先前較小應(yīng)力水平的棘輪變形對(duì)后續(xù)較大應(yīng)力水平的棘輪變形則基本沒有影響，棘輪應(yīng)變率幾乎為零，這也與SS304不銹鋼[5]、U71Mn軌道鋼[20]、LY12CZ鋁合金[21]的結(jié)論一致。

康國政等[20]、李釗等[22]研究了退火態(tài)42CrMo合金鋼、退火態(tài)U71Mn鋼單軸棘輪行為時(shí)發(fā)現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定材料的棘輪行為具有應(yīng)力水平依賴性， 演化規(guī)律也與循環(huán)硬化材料類似，經(jīng)過一定循環(huán)周次后，穩(wěn)定材料的棘輪變形將隨一個(gè)常棘輪應(yīng)變率穩(wěn)定向前發(fā)展，直至材料發(fā)生明顯的疲勞損傷。然而，對(duì)于A7N01-T4鋁合金焊接接頭及母材的棘輪行為，在所討論的循環(huán)周次內(nèi)均一直保持棘輪安定狀態(tài)。這與已有循環(huán)穩(wěn)定材料得出的棘輪行為演化特征不同，即循環(huán)穩(wěn)定特征并不能決定棘輪變形穩(wěn)定發(fā)展，也有可能出現(xiàn)棘輪安定狀態(tài)。

圖11 應(yīng)力加載歷史對(duì)棘輪效應(yīng)的影響

根據(jù)單調(diào)拉伸和循環(huán)實(shí)驗(yàn)，A7N01-T4鋁合金焊接接頭的塑性變形主要發(fā)生在焊縫區(qū)，這與SUS301L不銹鋼焊接接頭實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果相似[18]。然而，對(duì)于棘輪行為，即使在焊縫區(qū)，也未發(fā)生明顯的棘輪應(yīng)變，這表明A7N01-T4鋁合金焊接接頭具有很強(qiáng)的抵抗棘輪變形的能力。已有的棘輪行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[23]，棘輪變形的發(fā)生將降低材料的疲勞壽命。因此，下一步工作將深入討論A7N01-T4鋁合金焊接接頭的疲勞壽命，揭示該合金特殊的棘輪安定狀態(tài)對(duì)疲勞壽命的影響。

3 結(jié)論

通過DIC技術(shù)觀測(cè)了A7N01-T4鋁合金焊接接頭在單調(diào)拉伸和循環(huán)加載下的非均勻應(yīng)變場(chǎng)分布，結(jié)果表明：

1)采用ER5356做焊絲的A7N01-T4鋁合金焊接接頭的塑性變形由焊縫主導(dǎo)。

2) A7N01-T4鋁合金焊接接頭在應(yīng)變控制的循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定特征。

3) A7N01-T4鋁合金焊接接頭在應(yīng)力控制循環(huán)下呈現(xiàn)出棘輪安定狀態(tài)，即棘輪應(yīng)變?cè)诓煌瑧?yīng)力幅值、不同平均應(yīng)力下隨循環(huán)周次的增加幾乎不改變。同時(shí)，大的應(yīng)力歷史能降低后續(xù)應(yīng)力循環(huán)的棘輪應(yīng)變。