摘要：铝合金由于密度小、无磁性、热导率和强度高，以及良好的成型性、低温性能、耐腐蚀性能等被广泛应用于各种焊接结构中。铝合金焊接结构在重复外力作用下，往往发生疲劳断裂。疲劳破坏过程一般很难觉察到，因此疲劳断裂具有很大的危险性。
关键词：铝合金；焊接接头；疲劳性能；
1 概述
焊接接头中产生应力集中的原因一般有三个：(1)焊缝中的工艺缺陷，包括气孔、夹渣、裂纹、未焊透和咬边等，都会在其周围引起应力集中，其中裂纹和未焊透引起的应力集中最为严重。近表面处的气孔缺陷更会引起缺口效应加重应力集中问题。(2)焊缝外形不合理，比如对接焊缝余高过大，角焊缝表面为凸出形等在焊趾处都会形成较大的应力集中。(3)焊接接头设计不合理，比如接头截面的突变、加盖板的对接接头等均会造成严重的应力集中。焊缝分布不合理，例如只有单侧焊缝的T形接头，也会引起应力集中。不同的单双脉冲MIG焊接方法对铝合金焊接接头宏观成型有一定影响。并且MIG焊接时余高部位、焊根部位等往往是应力集中的区域，这些区域必然造成接头疲劳性能的大幅下降。因此有必要研究不同的单双脉冲MIG焊接方法获得的焊接接头的疲劳性能。
2 试验材料与方法
实验采用3mm 厚A5083 铝合金板材进行焊接，采用ER5356 铝镁合金焊丝，焊丝直径Φ1.2 mm；选用氩气保护，纯度99.99%。焊接后试件尺寸300 mm×300 mm×3 mm，焊缝宽度10 mm。焊接工艺参数为：材料厚度3 mm，道次1，焊接电流134～151 A，焊接电压20.2～21.9 V，焊接速度460～490 mm/min。打磨工艺参数如表1 所示。采用 WDW3100 微机控制电子万能试验拉伸机进行拉伸实验，拉伸速率为1mm/min，试验机自动记录载荷位移曲线，测量接头的屈服强度、抗拉强度和延伸率。疲劳试验在QBG-100疲劳试验机上进行。采用轴向力拉伸（正弦波）试验，循环应力最高加载次数为107 次。约定在107 次循环时仍未起裂的应力范围为条件疲劳极限。采用JSM-6490LV 扫描电镜（SEM）观察疲劳断口形貌。
表 1 打磨工艺参数
3 试验结果与讨论
3.1 打磨粒度对铝合金焊接接头拉伸性能的影响。从图 1 可看出，80 目打磨片条件下的焊接接头拥有最大的抗拉强度，为292 MPa，而40目打磨片与120 目打磨片条件下的焊接接头抗拉强度相差不大，分别为278 MPa 与275 MPa，三种粒度打磨片打磨后获得的接头其屈服强度相差不大，可忽略不计。80 目打磨片条件下的焊接接头有着最高的延伸率，为19.87%。
图 2 A5083 铝合金焊接接头疲劳数据图
通过表2 和图2 可以观察到40 目打磨片条件下试样的疲劳极限为100 MPa，80 目和120目打磨片条件下试样的疲劳极限为80 MPa，两者相比于40 目条件试样疲劳极限下降了20%。40 目、80 目、120 目打磨片粒度条件下的疲劳断口形貌。40 目打磨片粒度条件下，观察发现断口由疲劳源、裂纹扩展区和瞬断区三部分组成。该试件的裂纹源位于表面，呈现几何形状为半椭圆形的凹坑，这可能是由于表面焊接缺陷造成的，并且在裂纹源区（图3（b））还发现硬质点。表面缺陷和硬质相会使试样在载荷的循环加载过程中产生应力集中，这对疲劳强度有较大的影响。从裂纹扩展区（图3（c））中可以看到清楚的疲劳辉纹，并且扩展区断面十分光滑，整体上该区域呈现疲劳条纹花样。裂纹扩展的条带的宽度大小和裂纹扩展的速率有一定关联。从瞬断区（图3（d））可以看出断口呈韧窝状，属于塑性断裂，塑性断裂属于穿晶断裂的一种形式。
图 3 40、80、120 目打磨A5083 铝合金焊接接头的疲劳断口图
韧窝产生的原因是，材料经受外加循环载荷的作用时产生塑性变形，然后在金属材料内部产生了微小的“空洞”，这些空洞在外力的作用下，不断发生形核长大，最后聚集形成裂纹。从晶体学角度来分析，在常温下，金属内晶体的运动方式主要是滑移为主，滑移导致了金属晶体发生形变。当滑移达到一定数量时，滑移的晶面遇到障碍，比如第二相粒子等，会使位错不断增加，导致位错累积，造成局部应力集中，从而使金属晶体产生断裂，该试件的断裂方式与试件在静载荷下的断裂形貌相似。80 目打磨片粒度条件下，断裂面上有明显的疲劳辉纹，这是疲劳裂纹扩展时留下的，同时还观察到二次裂纹的存在（图3（g））。瞬断区断口呈明显的韧窝图样，这说明该疲劳试件的断裂方式也是塑性断裂，该试件在疲劳加载过程中发生了塑性变形（图3（h））。由裂纹源区（图3（f））的疲劳断口可以发现一处密集分布的气孔，引起疲劳断裂主要原因可能是这些缺陷综合作用的结果。这些缺陷一方面造成应力集中，另一方面造成截面积减少。多个缺陷的出现增加了裂纹产生的概率，从而造成疲劳强度的快速下降。120 目打磨片粒度条件下，图3（j）显示断口裂纹源在靠近边缘的地方，此处可见多个尺寸较大的气孔。铝合金焊接时，常出现气孔等缺陷，气孔存在于结构或工件的表面，极易成为再服役过程中发生疲劳断裂的裂纹源。在试件表面存在较多气孔，这就可能导致较大的应力集中，加速疲劳裂的形成，从而加快试件的断裂。
3.3 不同焊接工艺下接头的微观组织。A5083P加铝合金焊接接头的微观组织如图4所示。A5083铝合金焊缝组成主要是a(A1)固溶体和其上分布着的析出的 B(Al8Mg5)相。观察图4可知，白亮色相界的不定形相是B(Al8Mg5)，B(Al8Mg5)是脆性化合物，会严重降低合金的力学性能和抗蚀性能，通过热处理使B(Al8Mg5)相完全溶人基体，使合金呈过饱和状态，以获得固溶强化效果，塑性也得到显著增加。黑色的点状是M92si相。在焊接过程中经过焊接加热等强烈反应后，铸态化合物破碎，冷却后呈小颗粒状均匀分布于基体上。由于焊缝各部分的冷却速度不一，靠近母材的焊缝两边为垂直于熔合线的细长晶粒，焊缝中部冷却较慢为等轴晶粒。观察到双脉冲的焊缝析出相较均匀，双脉冲焊缝晶粒比单脉冲晶粒要细小，而且黑色的点状M92si相也要比单脉冲少。焊缝组织的这种变化是由于双脉冲焊接时用低频脉冲对高频脉冲进行调制，得到周期性变化的强、弱脉冲群，对熔池产生了搅拌作用的结果。熔合区附近的焊缝组织有方向性明显的柱状晶组织，对接头的性能有很大影响，是焊接接头的薄弱部位，拉伸断裂常出现于此。观察对比可知，单脉冲熔合区的柱状晶过渡比较明显，而双脉冲熔合区相比单脉冲柱状晶细小，且柱状晶方向性比较明显。热影响区保留母材大部分特征，晶粒沿压延方向伸长，经历了焊接热处理，但仍保存大部分变形组织，并从a(A1)中析出B(Al8Mg5)相的质点，呈弥散分布。
图4 A5083P—0铝合金焊接接头光学显微组织
在单脉冲和双脉冲方法下的熔合区、热影响区组织相差不大，焊缝组织差别主要是体现在晶粒尺寸上，双脉冲焊焊缝晶粒相对细小，焊缝晶粒得到细化，这有助于改善焊接接头的力学性能，同时还能降低裂纹敏感性。
分别采用单脉冲的铝合金焊接工艺和双脉冲的铝合金焊接工艺，制备了A5083P—O铝合金焊接接头。采用疲劳S一Ⅳ曲线的方式研究不同焊接工艺对疲劳性能的影响。(1)采用双脉冲焊接工艺制备的A5083P—O铝合金焊接接头，其疲劳性能及疲劳极限在同等条件下均高于采用单脉冲焊接工艺制备的焊接接头。(2)采用双脉冲的微观组织晶粒粒较单脉冲的明显，晶粒也更为细小，且分布均匀，而单脉冲分布比较杂乱。这有助于改善焊接接头的力学性能，同时还能降低裂纹敏感性。(3)从对接接头的单脉冲焊接工艺制造的焊接接头断口形貌以及双脉冲焊接工艺制造的焊接接头断口形貌来看，断口形貌上没有较大的差别，证明双脉冲焊接工艺并没有改变接头的断裂机理。
结束语：要想保证焊接接头的疲劳寿命，就需要对其焊接过程中存在的缺陷进行全面分析，使其对疲劳寿命的影响降到最低。
参考文献：
[1]张萍. 浅谈焊接缺陷对铝合金焊接接头疲劳性能的影响.2017.
[2]万文金，屈海燕. 铝合金车体焊接工艺．2016.
论文作者:张碧博,郭鹏,张小平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/29
标签：疲劳论文; 脉冲论文; 裂纹论文; 铝合金论文; 应力论文; 断口论文; 晶粒论文; 《防护工程》2018年第2期论文;