焊接環(huán)境溫度對(duì)鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

付寧寧，夏 寧，王 未，云中煌，王紅波，陳 輝

（1.南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

焊接環(huán)境溫度對(duì)鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

付寧寧1，夏 寧1，王 未1，云中煌1，王紅波1，陳 輝2

（1.南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

鋁合金焊接過(guò)程中，環(huán)境溫度因素對(duì)焊接質(zhì)量的優(yōu)劣起著不可低估的影響。對(duì)不同環(huán)境溫度條件下焊接的A5083鋁合金接頭進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示常溫與高溫環(huán)境下焊接的接頭疲勞極限幾乎一致，而低溫環(huán)境下焊接的接頭疲勞極限顯著提高；對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)疲勞試件進(jìn)行斷口分析顯示低溫環(huán)境下焊接接頭含有極少量的小氣孔而常溫與高溫環(huán)境下含有的氣孔數(shù)量較多、尺寸較大。焊接環(huán)境溫度通過(guò)影響氣孔的生成進(jìn)而導(dǎo)致接頭疲勞極限的差異。

焊接環(huán)境溫度；疲勞性能；無(wú)損檢測(cè)；焊接氣孔

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)軌道交通車(chē)輛的迅速發(fā)展，對(duì)鋁合金的焊接性能提出了更高的要求。鋁合金車(chē)體生產(chǎn)過(guò)程中，焊接技術(shù)是使用最為廣泛的生產(chǎn)加工方式[1]。在焊接過(guò)程中，環(huán)境溫度因素對(duì)焊接質(zhì)量起著不可低估的影響。不同的環(huán)境溫度對(duì)焊接接頭的氣孔量有影響，氣孔作為焊接過(guò)程中的主要的缺陷，對(duì)接頭的性能起著至關(guān)重要的作用。

本研究通過(guò)對(duì)不同環(huán)境溫度條件下焊接的A5083鋁合金進(jìn)行X射線無(wú)損探傷、疲勞試驗(yàn)研究其疲勞性能，對(duì)疲勞斷口進(jìn)行微觀分析等，進(jìn)而得出環(huán)境溫度對(duì)焊接接頭成型及性能的影響。

1 試驗(yàn)驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用母材材料為A5083鋁合金板材，焊材為直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲，母材及焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接過(guò)程在環(huán)境焊接實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，溫度條件為-20℃、20℃、40℃，相對(duì)濕度50%，無(wú)風(fēng)。采用PHOENIX 421 EXPERT forceArc MIG焊機(jī)，進(jìn)行雙脈沖MIG焊接。

運(yùn)用DXR250VX射線實(shí)時(shí)成像機(jī)和ERESCO 65 MF4射線探傷機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行X射線無(wú)損檢測(cè)；用PLG-2100微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向拉-拉脈動(dòng)拉伸高頻疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比R（min/max）=0，重復(fù)次數(shù)為5×104～1×107次程度；采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 X射線探傷結(jié)果和分析

X射線探傷結(jié)果顯示，在不同廣域環(huán)境溫度條件下，焊接接頭中氣孔數(shù)量不同，見(jiàn)圖1，-20℃時(shí)氣孔數(shù)量很少，20℃和40℃時(shí)氣孔數(shù)量相對(duì)較多。

焊接試驗(yàn)過(guò)程是在密閉的環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的，焊接時(shí)只調(diào)節(jié)溫度變化，各溫度條件下的相對(duì)濕度均為50%，且無(wú)風(fēng)。當(dāng)溫度達(dá)到0℃以下時(shí)，環(huán)境中的水分一部分被凝固成霜，運(yùn)動(dòng)不活躍，空氣中水蒸汽密度降低，電弧熱所能影響到的區(qū)域內(nèi)水分有限，致使氫的來(lái)源減少，進(jìn)而減少了焊縫中的氣孔[2]，另外，低溫條件下熔池凝固速度加快，不利于氣孔長(zhǎng)大，所以形成尺寸相對(duì)較小的氣孔。

2.2 疲勞性能試驗(yàn)及分析

2.2.1 -20℃焊接環(huán)境溫度下接頭的疲勞性能

焊接溫度為-20℃下接頭的疲勞性能S-N曲線如圖2所示，S-N曲線符合指數(shù)分布，此種接頭的疲勞極限為70MPa，疲勞斷口顯微形貌如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，疲勞斷口由疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)三部分組成。在該試件中裂紋源位于表面，呈現(xiàn)幾何形態(tài)不規(guī)則的凹坑，這是由于表面缺陷造成的。表面缺陷使試樣在循環(huán)加載過(guò)程中形成了局部應(yīng)力集中，對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大的影響[3]。從圖3b中可以看到清楚的疲勞條帶以及二次裂紋，并且擴(kuò)展區(qū)斷面十分光滑，整體上該區(qū)域呈現(xiàn)疲勞條紋花樣[4]。從圖3c可以看出該斷口中存在韌窩形貌，韌窩產(chǎn)生的原因是：材料經(jīng)受外加循環(huán)載荷的作用時(shí)，產(chǎn)生了塑性變形，然后在金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生了微小的“空洞”，這些空洞在在外力的作用下，不斷地發(fā)生形核長(zhǎng)大，最后聚集形成裂紋。從晶體學(xué)角度來(lái)分析，在常溫下，金屬內(nèi)晶體的運(yùn)動(dòng)方式主要是滑移為主，滑移導(dǎo)致了金屬晶體發(fā)生形變。當(dāng)滑移的數(shù)量達(dá)到了一定的數(shù)量的時(shí)候，滑移的晶面遇到了障礙，比如第二相粒子等，會(huì)使位錯(cuò)不斷的增加，導(dǎo)致位錯(cuò)累積，造成局部應(yīng)力集中，從而使金屬晶體產(chǎn)生斷裂[5]。

整個(gè)疲勞斷口各區(qū)域內(nèi)均未見(jiàn)明顯的焊接缺陷，如夾雜、氣孔等，原因是當(dāng)焊接溫度處于冰點(diǎn)以下時(shí)，環(huán)境中的水分凝結(jié)成霜，降低了空氣中的水蒸氣密度，因此在焊接過(guò)程中減少了氫的來(lái)源，然而氫是鋁合金焊接接頭中產(chǎn)生氣孔的重要原因，隨著氫的減少，氣孔生成量自然變少。

2.2.2 20℃環(huán)境溫度下焊接接頭疲勞性能

環(huán)境溫度為20℃下焊接接頭的疲勞性能S-N曲線如圖4所示，S-N曲線符合指數(shù)分布，此種接頭的疲勞極限為52 MPa。疲勞斷口形貌如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，A5083鋁合金20℃焊接接頭試件的疲勞斷裂面上有明顯的疲勞輝紋，這是疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的，存在于裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)。瞬斷區(qū)斷口呈明顯的韌窩圖樣，表明A5083鋁合金20℃焊接接頭疲勞試件在斷裂瞬間發(fā)生了塑性變形。疲勞斷口的裂紋源區(qū)發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔，呈彌散分布，大小不一。氣孔的存在一方面造成應(yīng)力集中，另一方面造成截面積減小，降低最大承載力，從而引起疲勞強(qiáng)度的降低。

2.2.3 40℃環(huán)境溫度下焊接接頭疲勞性能

環(huán)境溫度為40℃下焊接接頭疲勞S-N曲線如圖6所示，疲勞極限為52 MPa，疲勞斷口形貌如圖7所示，判斷疲勞源為彌散分布的氣孔，氣孔降低了接頭的疲勞性能。

氣孔一直是鋁合金焊接過(guò)程中不可避免的焊接缺陷，電弧氣氛中的氫是產(chǎn)生氣孔的重要原因。在環(huán)境溫度為20℃、40℃，相對(duì)濕度為50%的條件下焊接時(shí)，水蒸氣密度比-20℃時(shí)高，在電弧的高溫作用下，熔池上方的氫分壓比在-20℃焊接時(shí)增大，氫在鋁合金中的溶解度在凝固點(diǎn)時(shí)可從0.69mL/ 100 g突變到0.036 mL/100 g，相差20倍，增大了氣孔形成的概率[6]。

3 結(jié)論

（1）焊接溫度在冰點(diǎn)以下時(shí)，焊縫中氣孔很少且尺寸微小，常溫與高溫下焊接的焊縫中含有數(shù)量較多、尺寸較大的氣孔。

（2）焊接時(shí)環(huán)境溫度為20℃和40℃時(shí)A5083鋁合金焊接接頭的疲勞性能極其相近，疲勞源均為焊縫中彌散分布的氣孔；-20℃焊接所得接頭的疲勞極限有明顯提高，從55 MPa提升到75 MPa，疲勞源為試件表面缺陷。

（3）焊接溫度通過(guò)影響焊縫中氣孔的存在進(jìn)而影響接頭的疲勞性能。

[1]劉靜安.鋁材在交通運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)前景[A].中國(guó)有色金屬工業(yè)信息中心2002年交通運(yùn)輸用鋁市場(chǎng)暨技術(shù)研討會(huì)論文集[C].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2002，46-71.

[2]周萬(wàn)盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：40-44.

[3] 張都清，李遠(yuǎn)強(qiáng).焊接缺欠對(duì)焊縫疲勞強(qiáng)度的影響[J].山東電力技術(shù)，1999（3）：44-46.

[4] 鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：12.

[6] 王明濤.LF2鋁合金焊接氣孔的控制[J].化工時(shí)刊，2003，17（5）：52-54.

Effect of welding under ambient temperature on welded joint fatigue performance of aluminum alloy

FU Ning-ning1，XIA Ning1，WANG Wei1，YUN Zhong-huang1，WANG Hong-bo1，CHEN Hui2
（1.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 266111，China；2.Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In the welding process of aluminum alloy，environment temperature plays a cannot be underestimated influence on the welding quality.Fatigue performance experiment was carried out on the aluminum alloy welded joint which welded under different environment temperatures，result shows that welded joint fatigue limit under normal and high temperature environment are almost unanimous，but under low temperature，the welded joint fatigue limit improved significantly；Nondestructive X-ray testing and fatigue fractures'microstructure investigating shows that welded joints under low temperature contain very small amount of small blow holes，while the others contain more and lager blow holes.Welding environment temperature leads to differences in joint fatigue limit by affecting the generation of blow holes.

welding environment temperature；fatigue performance；nondestructive testing；gas-pore

TG111

：A

：1001-2303（2014）02-0080-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.19

2013-10-21

鋁合金焊接接頭疲勞性能研究（KJ12-38C012）

付寧寧（1984—），男，山東濟(jì)寧人，碩士，主要從事軌道車(chē)輛車(chē)體焊接工藝工作。