6mm厚6082-T6分流模擠壓成形鋁合金型材焊合線疲勞性能研究

楊軍，劉華學，段志華

中車長江車輛有限公司 湖北武漢 430212

1 序言

隨著軌道列車向高速化、輕量化方向的不斷發(fā)展，對高速軌道列車的車體制造材料有了更高的要求，制造輕量化、更加節(jié)能環(huán)保的高速列車勢在必行。鋁合金作為一種密度小、熔點低、比強度大、抗氧化性能優(yōu)異、易于加工的有色金屬，已經廣泛應用于高速列車車體制造中[1]。6mm厚6082-T6鋁合金（屬Al-Mg-Si鋁合金），具有中等強度、較好的塑性以及較低的熔點，通過連續(xù)擠壓技術易于加工成復雜截面多孔中空型材，適用于制造車體主體結構[2，3]。生產此類產品斷面復雜，在擠壓過程中采用分流模（橋式模）擠壓成形，鋁料經過模具分流后，成為兩股或多股高塑性材料再經過模具焊合室重新焊合后流出模具成形，但是由于模具和工藝參數(shù)設計不當?shù)纫蛩?，合金在擠壓成形后極易引起焊合線部位焊合不良[4，5]，因此對型材的疲勞性能具有非常不利的影響。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

試驗材料為6mm厚6082-T6鋁合金型材，其化學成分及力學性能分別見表1、表2。通過分流模擠壓生產各種型材具有效率高、生產周期短、所生產的型材壁厚差較大等優(yōu)點，因此通過分流模擠壓生產的各種橫截面不同的型材已經廣泛應用于軌道交通制造業(yè)。在實際生產過程中，高塑性材料在高溫真空環(huán)境中經擠壓模分成多股金屬，再經焊合室焊合后形成型材。在焊合過程中難免會出現(xiàn)孔洞、孔穴以及無損檢測無法檢測出的焊接缺陷，焊合線存在缺陷對型材的疲勞性能影響很大，對于高速行駛的列車來說存在安全隱患。因此，對焊合線疲勞性能的研究十分必要。擠壓成形型材的焊合線位置分布如圖1所示（紅色標記為焊合線）。

表1 6082-T6鋁合金的化學成分（質量分數(shù)）（%）

表2 6082-T6鋁合金的力學性能

圖1 6082-T6鋁合金型材焊合線

2.2 試驗方法

對6mm厚6082-T6鋁合金型材焊合線脈動拉伸疲勞試驗是按照GB/T 3075—2008 《疲勞試驗 軸向力控制方法》標準進行的。試驗裝置為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，其技術規(guī)格為：靜態(tài)負荷精度±1%，動態(tài)負荷平均波動度±1%，動態(tài)負荷振幅波動度±2%。試驗過程中采用循環(huán)應力比R=0.1，指定循環(huán)壽命取1×107次。在試驗過程中疲勞裂紋出現(xiàn)觸發(fā)疲勞試驗機自保護機制時，機器自動卸載并停振，最后記錄循環(huán)次數(shù)，試件安裝如圖2所示。脈動拉伸疲勞試驗完成后，對斷裂試件斷口進行切割，通過JSM-6360LV型掃描電鏡對脈動拉伸疲勞試驗試件斷口形貌進行觀察，判斷試件的斷裂位置以及斷裂形式，分析試件斷裂的原因。6mm厚6082-T6鋁合金焊合線疲勞試件尺寸如圖3所示，焊合線在試件正中間（圖1中左數(shù)第二個焊合線）。

圖2 試驗過程試件安裝

圖3 脈動拉伸疲勞試驗試件尺寸

3 6082-T6鋁合金型材脈動拉伸疲勞試驗結果及分析

為了判斷焊合線對6mm厚6082-T6鋁合金型材疲勞性能的影響，對其進行脈動拉伸疲勞試驗。疲勞試驗中S-N曲線測定均按常規(guī)方法進行，即S-N曲線均是存活率為50%的中值S-N曲線，且部分S-N曲線測定時的試件數(shù)量沒有嚴格按照有關要求進行。S-N曲線的高應力段（即左側的斜線部分）是按每一應力水平取1個試件確定的；S-N曲線的水平段是通過升降法確定的指定壽命為1×107次時的中值疲勞極限σ0.1[6]。通過升降法確定6mm厚擠壓模成形的6082-T6鋁合金型材指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限，有4級應力水平，有效試件數(shù)11個，由圖4可見共有5個子樣對。因此，由升降法確定的6082-T6鋁合金型材指定壽命1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為

圖4 6082-T6鋁合金型材疲勞極限升降圖

根據(jù)圖4所示的試驗結果，最終確定的6mm厚擠壓模成形的6082-T6鋁合金型材脈動拉伸疲勞（應力比R=0.1）的中值S-N曲線，如圖5所示。6mm厚6082-T6鋁合金型材指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為115MPa。

圖5 6082-T6鋁合金型材的中值S-N曲線

圖6 所示為疲勞試驗后發(fā)生疲勞斷裂的試件宏觀形貌，可以看出，6082-T6鋁合金型材疲勞裂紋大多數(shù)產生于母材處，說明焊合線對6082-T6鋁合金型材疲勞性能影響不大。

圖7 、圖8所示為6082-T6鋁合金型材疲勞斷裂試樣斷口掃描形貌。由圖7可以看出，各試件斷口處均無夾雜且沒有明顯的焊接缺陷，疲勞試件大多數(shù)從母材位置開裂，說明焊合線對疲勞性能影響不大。通過觀察斷口形貌，可以看出無明顯起裂源（由焊接缺陷引起），各疲勞試件擴展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞裂紋清晰，整個擴展區(qū)的疲勞裂紋呈河流狀[7，8]分布；當疲勞裂紋擴展到一定程度時發(fā)生斷裂，其終斷區(qū)斷口形貌均為大小不一的淺韌窩以及剪切韌窩，因此確定終斷區(qū)為韌性斷裂。

圖7 典型試件疲勞斷口形貌

圖8 典型試件疲勞斷口形貌

4 結束語

1）6mm厚擠壓模成形的6082-T6鋁合金型材在指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為115MPa；疲勞裂紋大多數(shù)是從試件母材邊緣處起裂的，僅一個試件在焊合線邊緣處斷裂，說明焊合線對疲勞性能影響不大。

2）通過JSM-6360LV型掃描電鏡觀察斷口可以看出，6mm厚6082-T6 鋁合金型材疲勞斷口無明顯起裂源（由焊接缺陷引起）；擴展區(qū)疲勞紋清晰且呈河流狀分布；終斷區(qū)存在大小不一的等軸淺韌窩以及剪切韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。