鋁合金焊接接頭組織及疲勞損傷行為研究

呂 程

（中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116000）

由于鋁合金材料在具有較高強度的同時，密度上也明顯低于一般的金屬材料，在滿足應(yīng)用過程中的使用需求的同時，可以在一定程度上降低對自身重力作用的能量開銷，使其在航空、航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。同時，隨著對于現(xiàn)代技術(shù)的研究不斷深入，合金的制備工藝也不斷提升，鋁合金金屬材料的強韌化程度得到了更大空間的發(fā)展，并逐漸消除了傳統(tǒng)鋁合金材料存在的各向異性大、斷裂韌度偏低等問題，在性能實現(xiàn)了質(zhì)的提升，綜合性能得到了全面發(fā)展[2]。近些年來，為了進一步提高鋁合金的強度、耐損傷性，降低其各向異性，對于鋁合金成分的研究以及制作工藝的探索逐漸成為廣大學(xué)者、專家研究的重點[3]，并取得了一定的成果。其中，岳海英等人對鑄造鎂合金的室溫高周疲勞累積損傷行為進行了研究[4]。表明疲勞累積損傷機制與晶粒取向、熱處理之間均有一定關(guān)聯(lián)性。當(dāng)載荷水平處于疲勞極限情況下時，形成的損傷形貌主要以駐留滑移條紋為主，這種條紋是通過基面滑移的方式形成的。同時對處理工藝對和合金性能的影響進行研究，并發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶時效處理后，會在一定程度上減少合金駐留滑移條紋的數(shù)量；吳正凱等人[5]采用Feret直徑和極值統(tǒng)計方法，對激光熔化Ti-6Al-4V合金的缺陷特征進行研究，并對疲勞裂紋的萌生、擴展行為通過定量表征的方式進行體現(xiàn)。對缺陷特征與疲勞壽命之間的關(guān)系進一步進行明確。為更加精準(zhǔn)地評估Ti-6Al-4V合金材料熔化部位的疲勞性能、壽命提供了重要參考。上述研究都是針對合金本身進行的，在實際生產(chǎn)中，對其焊接是必不可少的應(yīng)用活動，因此對鋁合金焊接接頭的特性進行研究是十分必要的。

基于此，本文提出鋁合金焊接接頭組織及疲勞損傷行為研究。系統(tǒng)地分析了鋁合金焊接接頭的組織形貌特征，結(jié)合宏、微觀組織特征響應(yīng)特性，對其疲勞損傷行為進行研究，以期為后續(xù)更高性能的鋁合金設(shè)計和加工提供有價值的參考。

1 鋁合金焊接接頭組織特征分析

首先，本文分別從宏觀角度和微觀角度，對鋁合金焊接接頭的組織特征進行分析。

圖1為鋁合金焊接接頭的宏觀形貌。從圖中可以明顯觀察到，焊接層之間熔合良好，同時熔敷金屬與鋁合金材料之間也具有較高的熔合度，并未因成分差異導(dǎo)致的未熔合現(xiàn)象。在焊接縫的上表面，是氣孔的主要分布位置，同時在熔合線處也有少量分布。這是由于鋁合金本身就具有密度低的特點，因此，其在散熱速率方面也明顯較密度大的金屬材料快，在此條件下，焊接接頭的溫度下降較快，熔池可以在較短的時間內(nèi)完成凝固過程，氣泡的形核、長大、上浮都是在劇烈溫度變化過程中進行的，在焊接接頭凝固前，未排除的氣泡金屬捕獲，并在焊接接頭內(nèi)以氣孔的形式存在。在焊接過程中，不同部位的溫度為：熔合區(qū)溫度<焊縫區(qū)溫度，因此在凝固速率方面有：熔池凝固速度>焊縫區(qū)凝固速度，這樣就導(dǎo)致氣孔更容易在熔合線處聚集。

圖1 焊接接頭的宏觀形貌

鋁合金焊接接頭的微觀組織包括四部分，分別為母材區(qū)、熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫區(qū)。母材表現(xiàn)為軋制組織，以纖維狀的形態(tài)存在；熱影響區(qū)保留軋制狀形態(tài)，但在焊接熱循環(huán)作用下，再結(jié)晶和不完全再結(jié)晶現(xiàn)象明顯，并且晶粒粒度存在明顯差異。在靠近熱影響區(qū)的位置，溫度相對較低，冷卻速度也隨之相對較快，導(dǎo)致晶粒生長時間、尺寸較小，形成的晶粒粒度較細；在靠近焊縫區(qū)的位置，溫度相對較高，冷卻速度也隨之相對較慢，導(dǎo)致晶粒生長時間、尺寸較大，形成的晶粒粒度較粗。在焊縫區(qū)，可以觀察到明顯的鑄造組織結(jié)構(gòu)特征，這是由于中心的溫度梯度小，晶粒的生長規(guī)律呈現(xiàn)出與之相對應(yīng)的趨勢。

2 鋁合金焊接接頭疲勞損傷行為分析

在上述對鋁合金焊接接頭組織特征分析的基礎(chǔ)上，本文研究了不同應(yīng)力條件下，接頭疲勞斷裂模式和疲勞斷口特征。

2.1 焊接接頭疲勞斷裂模式分析

在焊接接頭出現(xiàn)疲勞損傷行為過程中，隨著其應(yīng)力情況的不同，其對應(yīng)的疲勞斷裂模式也有所差異。因此本文首先對不同應(yīng)力下焊接接頭的斷裂模式進行分析。

在低應(yīng)力疲勞斷裂模式下，在疲勞過程開始時，應(yīng)力集中位置為焊接接頭損傷的集中區(qū)。在微觀結(jié)構(gòu)上，疲勞損傷是以局部形式存在的，在疲勞裂紋萌生過程中，疲勞裂紋受剪切應(yīng)力作用，主要在應(yīng)力加載端靠近焊縫處區(qū)域開始，由于該區(qū)域的循環(huán)應(yīng)力特征，導(dǎo)致鋁合金焊接接頭表面受到侵入和擠出作用，由此引發(fā)滑移帶的形成，為疲勞裂紋的萌生創(chuàng)造基礎(chǔ)條件；在疲勞裂紋的擴展過程中，在應(yīng)力作用下，裂紋的規(guī)模會呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，并最終形成主裂紋，在之后的裂紋擴展過程中，主裂紋將在一定程度上對其他小裂紋起到聚合作用，并以主導(dǎo)裂紋發(fā)展方向的地位存在。受交變應(yīng)力影響，其發(fā)展方向與應(yīng)力垂直方向保持一致。疲勞裂紋會在焊接接頭所承受的應(yīng)力大于其疲勞極限時產(chǎn)生。同時，由于其處于低應(yīng)力環(huán)境下，因此，疲勞斷裂最終發(fā)生在應(yīng)力加載端的焊縫位置。

在高應(yīng)力疲勞斷裂模式下，斷裂發(fā)生位置為應(yīng)力加載端焊縫的邊緣，并伴隨有明顯的塑性形變，以“撕裂”現(xiàn)象為主，受循環(huán)應(yīng)力影響，最終形成疲勞裂紋。在初始階段，焊接接頭應(yīng)力集中區(qū)的塑性形變最為明顯，疲勞裂紋萌生也是以此為開端的，在焊接接頭根部的缺口位置為主要區(qū)域。塑性形變量方面，與低應(yīng)力疲勞斷裂相比，其明顯較少。疲勞裂紋最終產(chǎn)生兩條疲勞裂紋，并沿著焊縫組織擴展形成穿焊縫疲勞裂紋。

2.2 焊接接頭疲勞斷口分析

在上述基礎(chǔ)上，本文對焊接接頭疲勞斷口特征進行了分析。

在應(yīng)力條件下，在初始階段，斷裂特征以小平面的河流樣特征進行發(fā)育，發(fā)展結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的輻射狀，最終形成韌窩狀撕裂特征。宏觀上，焊接接頭拉伸斷口形貌較為平坦，斷口的中心纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)，在不同程度上表現(xiàn)出塑性斷口特征，并以韌窩狀形態(tài)存在。保載疲勞斷口與拉伸斷口基本一致。

在低應(yīng)力條件下，低周疲勞條帶特征明顯，在整個斷口中，不規(guī)則分布有粒度不一的晶粒，疲勞條帶粗大明顯，疲勞條帶間距約為1.5μm，屬于較寬的間距范圍。在高應(yīng)力條件下，低周疲勞條帶特征不明顯，在較大形變區(qū)域內(nèi)較為明顯，晶粒分布以細小密集為主，疲勞條帶間距約為0.13μm。圖2為低、高應(yīng)力條件下，低周疲條帶的形貌特征。

圖2 鋁合金不同應(yīng)力條件的疲勞條帶特征

3 結(jié)語

通過對鋁合金焊接接頭組織及疲勞損傷行為進行研究，可以得出：

（1）在焊接接頭處，熔敷金屬與鋁合金材料具有較高的熔合度，氣孔主要聚集在熔合線處，接頭處鋁合金在保持軋制纖維狀組織結(jié)構(gòu)同時，有不規(guī)則的結(jié)晶情況發(fā)生。

（2）低應(yīng)力疲勞斷裂模式下，焊縫處不會發(fā)生明顯的塑性形變，斷口疲勞條帶粗大明顯，條帶間距較寬平均約為1.5μm。

（3）高應(yīng)力疲勞斷裂模式下，焊縫處形成明顯裂紋，產(chǎn)生塑性形變，斷口疲勞條帶細小密集，條帶間距約為0.13μm。