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摘要：本文分析了铝合金焊接常见的接头软化、焊接气孔、焊接结晶裂纹等缺陷，这些缺陷都会使得铝合金焊接接头的疲劳性能下降。为了对服役机械结构疲劳定寿，本文在前人工作基础上完善了非线性疲劳累积损伤模型。
关键词：铝合金焊接；缺陷；疲劳性能；疲劳累积损伤模型
通过多年发展，铝合金焊接技术已经逐渐变得成熟，离子弧焊、激光焊、搅拌摩擦焊等也得到广泛应用，目前已经形成了Al-Mg、Al-Mg-Si以及Al-Mg-Zn的三大系列。尽管焊接技术已经日趋成熟，但是由于铝合金焊接过程中经历很强的热循环，使得焊接接头处的抗拉强度通常仅为母材的7成以下，进而容易导致焊接缺陷。本文将对铝合金焊接的典型缺陷形成机理进行分析，在此基础上讨论焊接接头的疲劳性能。
1 铝合金焊接典型缺陷形成机理
1.1 焊接接头软化
对于可热处理强化铝合金而言，组织属于再结晶组织，且组成相是α(Al)固溶体与脱溶相Mg2Si。因为此类铝合金在进行焊接时热影响区域淬火区和熔合线靠近，温度很高，有显著的热循环过程，从而使得Mg与Si与α(Al)相溶，进而得到过饱和固溶体。然而，焊接热影响区的软化区域和熔合线是较远的，导致热循环温度很低，同时又进入时效热处理温度范围，使得Mg2Si加速析出，软化去出现过时效软化效应。
1.2 焊接气孔
对于典型的铝合金焊接过程而言，气孔形成通常可以划分为4个阶段：
第一阶段，焊缝熔池金属氢吸收。惰性气体中超标水分、弧柱密封不严混入潮气等原因都是气体产生的根源。在高温电弧的影响下，超标水分、混入潮气中的H原子被析出，进而被熔池金属所吸收，随着温度的提升，H原子溶解度也会提升。
第二阶段，氢气泡的行核。随着H原子溶解度的不同，所产生的氢气孔的情况也会不同。当熔池金属处理冷凝阶段时，H原子溶解度会降低数十倍，从而使得氢过饱和情况。在金属熔池里将不断地产生凝固晶粒和类似氧化铝等难溶颗粒，使氢气泡行核成为可能。
第三阶段，氢气泡的增长。在业态金属对流过程中，氢也随之发生扩散，从而使得小气泡发生聚集，并以合并的方式增长。气泡的增长受到内外压力的影响，当外界压力比气泡内压力大时，氢气泡的增长将停止。
第四阶段，氢气泡上浮。随着气泡的不断增长，当浮力达到一定程度时将与结晶物体表面发生脱附，并逸出。氢气泡上浮的速度与熔池凝固速度二者的关系将决定焊接气孔的形成，当前者小于后者时，气泡将停留在焊缝中。
1.3 焊接结晶裂纹
铝合金的焊缝结晶凝固过程中，由于金属状态发生改变，表现为体积的剧烈收缩，进而导致拉应力的产生。结晶过程中，先结晶的金属往往纯度是高于后结晶的金属的，从而导致后结晶金属中的杂志不断扩大，并和晶界发生聚集，构成低熔点共晶体。
2 铝合金焊接接头疲劳性能分析
铝合金焊接结构在实际应用过程中常常处在循环的动载荷条件下，循环往复的低应力容易使焊接结构发生疲劳破坏，这对于有缺陷的铝合金尤为明显。当疲劳破坏发生时，通常会出现在接头位置，有统计表明九成以上的焊接破坏属于疲劳破坏，因此对焊接接头疲劳特性进行研究是有重要现实意义的。
以往的抗疲劳破坏设计是基于经验规律的，其中应用最多的是抗拉伸强度和疲劳强度的非线性关系，疲劳强度和拉伸强度的比值叫作疲劳比，对于铝合金而言，疲劳比通常介于0.25到0.5之间。焊接接头的蒲牢特性通常受以下几方面因素的影响：
（1）接头形式。焊接接头不同使得应力流线会出现很大的差别，一般当应力流线受到的干扰较大时，对应的疲劳性能较差。
（2）焊缝几何尺寸。在以往焊接实践中发现，焊缝凸出部分通常是应力集中源，加入不对其进行一定的处理，会影响其疲劳强度。
（3）焊缝质量。焊接过程中或多或少会出现上文分析的焊接缺陷，不同缺陷均会产生一定的应力集中现象，进而影响到疲劳强度，例如气孔焊接缺陷、工艺不当等均会导致铝合金焊接接头的疲劳性能恶化。
（4）载荷情况。载荷是决定疲劳寿命的主动因素，其中平均应力与疲劳强度高度相关。
3 铝合金焊接接头疲劳积累损失模型的研究
由于铝合金焊接接头的疲劳寿命受到多因素的影响，为了对服役机械结构进行疲劳定寿成为一个很难的课题。经过以往的研究，国内外学者提出了不同的累积损失模型，并主要分为线性积累损伤发展、双线性累积损伤法则以及非线性累积损伤法则三大类。
材料损伤值和循环次数通常存在幂函数关系，用a表示试件与应力水平相关的函数。Manson-Halford提出了损伤曲线法来描述材料损伤的趋势，然而其没有给出a的计算方法。这一模型可以满足上述四方面的要求，两级加载损伤曲线如图1所示。
4 小结
本文分析了铝合金焊接头的疲劳性能，并在线性累积损伤的基础上提出了非线性积累损伤模型，通过大量试验数据的验证与拟合，最终得到了适合于铝合金焊接接头疲劳性能估计的模型，有一定推广意义。
参考文献：
[1]马思群,谷理想,袁永文,兆文忠,黄雪飞.焊接缺陷对动车组铝合金车体疲劳寿命影响研究[J].铁道学报,2014,36(02):42-48.
[2]李会,郭继祥,何小勃,侯振国,褚宏宇.铝合金MIG焊常见焊接缺陷分析及预防措施[J].电焊机,2013,43(04):72-76.
[3]张红霞,吴广贺,闫志峰,裴飞飞,李晋永,王文先,李永莲.5A06铝合金及其焊接接头的疲劳断裂行为[J].中国有色金属学报,2013,23(02):327-335.
[4]曹丽杰.铝合金搅拌摩擦焊接缺陷的研究进展[J].表面技术,2009,38(03):68-71+100.
论文作者:臧铁军 刘森 吕明
论文发表刊物:《科技新时代》2018年10期
论文发表时间:2018/12/6
标签：疲劳论文; 铝合金论文; 缺陷论文; 损伤论文; 应力论文; 氢气论文; 熔池论文; 《科技新时代》2018年10期论文;