摘要：以A7N01铝合金焊接接头为分析对象，通过金相试验、显微硬度试验、拉伸试验和缺口疲劳试验分析了焊接接头微区的不均匀性。结果表明，A7N01铝合金焊接接头母材、焊缝、热影响区内的组织和硬度差别较大，焊缝硬度最低约为HV75，母材焊缝最高约为HV110，热影响区内硬度变化较大。母材的屈服强度和抗拉强度高于焊缝和热影响区。而热影响区的断后伸长率最高。三个区域内疲劳裂纹萌生寿命差异较小，裂纹萌生寿命与总寿命之比近似为常数，疲劳总寿命差别明显，母材的疲劳总寿命最长，焊缝疲劳总寿命最短。
关键词：铝合金；不均匀性；疲劳裂纹萌生寿命；微区性能
1前言
A7N01铝合金是具有代表性的高强度合金，因其比强度高、抗腐蚀性好、易于加工成形等特点，其焊接结构广泛应用于航空航天、高速轨道车辆、军工、交通运输等诸多领域。A7N01属于Al-Mg-Zn系铝合金，由于技术封锁和行业保密，A7N01铝合金相关的疲劳数据无法获取。随着制造业的发展，焊接作为一种特种加工技术，目前已经在大多数金属结构的制造中取代了铆接。
国内外学者对A7N01铝合金TIG焊接头的腐蚀开裂、疲劳裂纹扩展特性、断裂韧度等方面做了详细研究，但A7N01铝合金焊接接头的不均匀性研究尚少。
2试验方法
A7N01铝合金因具有较高的比强度、良好的热加工性、耐腐蚀性以及优良的焊接性而广泛用于高速列车的车体结构。试验所用材料为高速列车车体结构常采用的A7N01铝合金。材料厚度为6mm，试验所用焊丝牌号为ER5356，焊丝直径1mm。采用手工钨极氩弧焊进行焊接，焊接电流为200A，电弧电压为23～25V，焊接速度1.67mm/s，保护气流量12～15L/min。
显微组织观察试样经金相砂纸研磨后，进行机械抛光，然后用腐蚀剂进行腐蚀(HF1mL，HCl1.5mL，HNO32.5mLandH2O95mL)。在OLYMPUSGX71光学显微镜下进行显微组织观察。采用EDS进行化学成分分析。
为评价焊接接头各个微区的力学不均性，进行了硬度试验、拉伸试验和缺口疲劳试验。显微硬度试验在岛津HMV-2型显微硬度计上进行，加载载荷为2N，保持载荷时间为10s。分别在母材、焊缝和热影响区上截取拉伸试件。由于热影响区较窄，将热影响区的厚度作为试件的宽度，反映了热影响区综合的拉伸性能。所有拉伸试验都在Instron5569电子万能试验机上进行。
通过缺口疲劳试验来评价各区域的疲劳性能。疲劳试件的余高由机械加工的方法除掉，并在焊接接头待考察的区域开一单边U形缺口，试件尺寸如图1所示，缺口所产生的应力集中系数Kt为3.49。疲劳试验在电磁激振式高频疲劳试验机上进行。载荷为正弦波载荷，应力比R为0。载荷频率约为82Hz。
图 1 疲劳试件尺寸(mm)
3试验结果与分析
3.1焊接接头微区显微组织
A7N01铝合金焊接接头显微组织如图2所示，图2a～图2c分别为母材、焊缝和热影响区的金相显微组织。母材中，晶粒沿轧制方向被拉长，可以看到较多的粗大第二相，EDS分析表明，该粗大的第二相中含有较多的Cr，Mn和Fe等元素。Zn和Mg是Al-Zn-Mg系合金中的主要强化元素，η(MgZn2)相是该合金的主要强化相。由于A7N01铝合金属于Al-Zn-Mg合金具有一定的热裂倾向，所以焊接时采用Al-Mg系的ER5356焊丝。在焊缝金属中可以发现明显的树枝晶，是典型的铸造组织，室温下主要为α(Al3Mg2)相。热影响区内轧制过程中产生的纤维组织由于受到焊接热循环的作用转变为再结晶组织和不完全再结晶组织。
图2焊接接头各微区的显微组织
3.2显微硬度
显微硬度的测试结果如图3所示，焊缝硬度为HV75左右，母材硬度为HV110左右，ER5356焊丝提高了A7N01铝合金的抗裂性能，但由于焊丝中的合金元素较少，强化效果较小。热影响区包括了局部熔化区、淬火区和过时效区。过时效区中强化相聚集长大，导致了硬度下降，形成软化区。从图3中可以看出，焊缝、热影响区和母材区域的硬度差别较大，说明三个区域的静力学性能有很大差异，尤其是热影响区表现出极大的力学不均匀性。
图3 A7N01铝合金焊接接头显微硬度
3.3焊接接头微区的拉伸性能
为了考察焊接接头各微区的静力学性能的差异，分别在母材、焊缝和热影响区内截取拉伸试件。图4为微区的拉伸试验结果。试验结果表明，母材、焊缝和热影响区三个区域中，母材的抗拉强度和屈服强度最高，分别为414MPa和327MPa，焊缝最低，分别为259MPa和137MPa。焊缝和母材拉伸性能不同，是由于母材为Al-Zn-Mg系合金，属于可热处理强化铝合金，可以通过固溶处理+时效来获得较高的强度。而焊丝为Al-Mg合金，焊缝的冷却的过程可以视为固溶强化的过程。另一方面，Al-Mg合金含量较少，所以焊缝区域的强度较低。热影响区的成分与母材相同，由于焊接热循环的作用使得热影响区内的金属发生了再结晶或不完全再结晶，从而强度出现一定程度的下降，而断后伸长率较母材有所提高。
图3 A7N01铝合金焊接接头微区力学性能
3.4焊接接头微区的疲劳性能
图5为A7N01铝合金母材、焊缝和热影响区的疲劳寿命曲线。疲劳试验结果表明，三个区域的疲劳寿命有较大差异，在不同的应力幅下，母材的疲劳寿命最长，热影响区次之，焊缝最短，并且随着应力幅的减小各微区疲劳寿命的差异逐渐增大。这说明在循环载荷下，焊接接头的不均匀性对微区的疲劳寿命有较大影响。
图 5 A7N01 铝合金焊接接头各微区疲劳寿命曲线
一般认为，疲劳寿命包括了疲劳裂纹萌生寿命和扩展寿命。因此，焊接接头的力学不均匀性会在这两个阶段对疲劳寿命产生影响。图6为产生1mm裂纹时各微区的疲劳裂纹萌生寿命。
图 6 A7N01 铝合金焊接接头各微区裂纹萌生寿命曲线
从图6中可以看出，应力幅较大时，焊缝、母材和热影响区的疲劳裂纹萌生寿命差别很小，随着应力幅的下降，差别逐渐显现出来。这是由于缺口的存在掩盖了力学不均性对疲劳裂纹萌生寿命的影响。但总体上看，力学不均性对三个区域的疲劳裂纹萌生寿命影响不大。图7为母材、焊缝和热影响区裂纹萌生寿命与总寿命之比。
图 7 各微区裂纹萌生寿命与总寿命之比
从图7中可以看出，三个区域的Ni/Nf的值基本为常数，与应力幅无关，可以推断，Ni/Nf的值与材料的显微组织和力学性能有关。因此，各微区疲劳寿命的差异主要是疲劳裂纹扩展阶段的差异所引起的。
4结束语
母材、焊缝、热影响区三个区域的组织有明显差别，母材是由于轧制所产生的纤维组织，焊缝是铸态组织，热影响区内的晶粒由于焊接热循环的作用发生了再结晶和部分再结晶。
焊缝的硬度最低约为HV75，母材最高约为HV110，热影响区内的硬度变化剧烈。焊缝金属的屈服强度和抗拉强度低于母材和热影响区。热影响区的断后伸长率高于母材和焊缝。
母材、焊缝、热影响区的疲劳寿命差别较大，其中母材的疲劳寿命最长，热影响区次之，焊缝最短。三个区域的裂纹萌生寿命差异不大。三个区域屈服强度的差异引起疲劳裂纹扩展速率的不同，从而导致了疲劳总寿命的差异。
参考文献：
[1]李宏佳.A7N01铝合金焊接接头组织对疲劳断裂的影响[J].焊接技术，2017(08)
[2]曲晓东.A7N01铝合金焊接接头组织和疲劳性能研究[J].航空维修与工程，2017(12)
[3]陈佳.合金元素对A7N01铝合金焊接接头断裂韧性的影响[J].机械，2018(04)
论文作者:徐立峰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/21
标签：疲劳论文; 寿命论文; 铝合金论文; 裂纹论文; 硬度论文; 组织论文; 合金论文; 《防护工程》2018年第31期论文;