A5083鋁合金焊縫斷裂韌度研究

何曉龍，曹春鵬，單清群

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

A5083鋁合金焊縫斷裂韌度研究

何曉龍，曹春鵬，單清群

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

在焊道中添加銅絲，成功制造出含類裂紋缺陷的焊縫。采用尺寸敏感斷裂抗力δm（8）表征斷裂韌度大小。與標準焊縫進行對比分析，含類裂紋缺陷的焊縫斷裂韌度均值較低，為0.061mm，小于標準焊縫斷裂韌度均值0.127mm，焊縫內殘余銅絲是影響其數值較小的主要原因。

A5083鋁合金；類裂紋缺陷；尺寸敏感斷裂抗力

0 前言

A5083鋁合金是非熱處理強化鋁合金，其成型、擠壓性能優良，可焊性好，在高速列車車體上有重要的應用[1]，如端墻外板、司機室外板。高速列車用中厚板A5083鋁合金采用多道MIG焊進行連接，熔焊過程中可能會導致接頭性能的劣化[2-3]。斷裂韌度作為評價金屬及其接頭性能的重要力學指標，研究焊縫的斷裂韌度具有重要意義。

鋁合金基材的斷裂韌度研究[4-5]已經十分系統。對于不同焊接參數形成的焊縫而言，焊縫力學性能具有特異性，研究焊縫斷裂韌性可加深對其綜合力學性能的理解。在此對比分析正常焊接接頭和制造類裂紋缺陷焊接接頭，研究兩種條件下性能的差異。

1 試驗材料和方法

A5083鋁合金的主要化學成分如表1所示。試板規格300 mm×60 mm×8 mm，采用兩道MIG焊進行施焊，一對試板為正常焊接；另外一對試板在焊道中均勻加入細銅絲，制造類裂紋缺陷。

表1 A5083鋁合金主要化學成分%

采用XXQ2505D-XK3.2型號X射線探傷儀檢測接頭結果，確保成功制造出類裂紋缺陷。設備分辨率200 μm，焦距700 mm，探傷電流4.5 mA，電壓55 kV，曝光時間1.5 s。獲得初始探傷圖片后，利用系統圖像處理軟件對圖像進行灰度調整和銳化處理，獲得清晰的圖片結果。

參照《GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法》進行接頭拉伸試驗，拉伸試件尺寸如圖1所示。采用HVS-30維氏硬度計獲得接頭不同焊道的硬度分布曲線，焊縫內硬度點間隔0.5 mm，熱影響區和母材間隔1.0 mm，加載力3 kN，保荷時間10 s。硬度點分布如圖2所示。

圖1 拉伸試樣尺寸(單位：mm)

圖2 硬度點分布

參照標準GB/T21143-2012《金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》進行斷裂韌度試驗。對于A5083鋁合金，裂紋擴展過程中可能會產生較大塑性，采用KIC表征此性能不太合理，因此考慮用尺寸敏感斷裂抗力δm（8）表征斷裂韌度的大小。試樣尺寸如圖3所示。

圖3 斷裂韌度試樣尺寸(單位：mm)

2 結果分析

2.1 探傷結果

標準對接試板和添加銅絲對接試板的探傷結果如圖4所示。標準試板焊縫中局部位置有少量氣孔（見圖4a），氣孔是MIG焊焊接過程中不可避免的固有缺陷，只能盡量減少氣孔的尺寸及含量。對接試板焊縫中存在大量的亮白色點狀、條帶狀異質物（見圖4b），該物質是殘留或熔融的銅絲，可將其視為類裂紋缺陷，即焊接過程中成功制造出了預期缺陷。

圖4 不同試板探傷結果

2.2 接頭拉伸試驗結果及硬度曲線

焊接接頭拉伸結果和不同焊道的硬度分布曲線如圖5所示。由圖5a可知，拉伸試驗接頭斷裂于焊縫處，抗拉強度為285 MPa，0.2%非比例延伸強度為150 MPa。斷口邊界線與基材呈45°斷裂，為典型的剪切型斷裂模式。結合圖5b，硬度測試線1和硬度測試線2的焊縫硬度最低，與拉伸結果吻合，焊縫內硬度數值有微小波動。第一層焊縫（第二條焊道）硬度略低于第二層焊縫（第一條焊道），在焊接過程中，第一條焊道對第二條焊道有一定的預熱作用，導致上述結果。熱影響區硬度相對焊縫有一定程度提高，未出現明顯的軟化現象。母材硬度最大，硬度值趨于穩定，約為80 HV3。

2.3 斷裂韌度表征

不同試板焊縫缺口張開位移結果如圖6所示。標準焊接試板焊縫的三個平行試樣結果吻合度非常高（見圖6a），最大載荷對應的缺口位移平均值約為1.2 mm，而含類裂紋缺陷焊縫的三個平行試樣的缺口張開位移曲線有一定的差異性（見圖6b），這可能與焊接后殘留銅絲分布的局部不均勻性相關。其中有兩個平行試樣最大載荷對應的缺口位移約為0.45 mm，第三個試樣最大載荷對應的缺口位移約為0.75 mm。含類裂紋缺陷焊縫承受的最大載荷及最大載荷對應的缺口張開位移均小于標準焊接試板焊縫。

兩種焊接試板焊縫的尺寸敏感斷裂抗力如圖7所示。標準板焊縫的尺寸敏感斷裂抗力為0.118~ 0.140 mm，平均值0.127 mm；含類裂紋焊縫的尺寸敏感斷裂抗力最小值0.048 mm，最大值0.083 mm，平均值0.061 mm。三個平行試樣的結果均小于標準焊接試板，說明殘余銅絲的存在會惡化焊縫的斷裂韌度。焊縫內部存在大量的殘留銅絲，其作為類裂紋缺陷，材料局部脆性增大，韌性降低，并且在類裂紋與基材的結合界面處有較大的應力集中，當裂紋前沿與殘留銅絲交匯時會加速擴展，形成的斷面粗糙度小，降低材料斷裂韌度。分析不同試板斷裂韌度結果的波動性，采用式（1）的變異系數進行評價，變異系數考慮了不同條件下結果均值的差異性。標準試板對接焊縫和含類裂紋焊縫的尺寸斷裂敏感抗力值δm（8）的變異系數分別為0.091和0.314，含裂紋焊縫變異系數值，其對應數據的波動性更大。

標準焊縫、含類裂紋焊縫的典型斷口形貌如圖8所示。標準焊縫斷口局部存在微孔（見圖8a）。含類裂紋焊縫中存在明顯的類裂紋缺陷（見圖8b），其斷口粗糙度小于標準焊縫。試樣斷口特征、探傷結果、斷裂韌度結果相互印證。

圖5 拉伸、硬度測試結果

圖6 缺口張開位移結果

圖7 不同焊縫的斷裂韌度

3 結論

（1）標準焊接試板焊縫中有少量氣孔，為MIG焊的本征缺陷；通過在焊道中添加銅絲，成功在焊縫中制造出類裂紋缺陷。

Research on fracture toughness of weld of A5083 aluminum alloy

HE Xiaolong，CAO Chunpeng，SHAN Qingqun
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

The experiments performed the crack-like defects via adding the copper silk in the welding bead.The index size sensitive fracture resistance δm(8)was utilized to characterized the fracture toughness.Comparative analysis was realized between the standard weld and the weld including crack-like defects.The fracture toughness of the weld including crack-like defects was lower than the standard weld，and the average values were 0.061 mm and 0.127 mm respectively.The existence of residual copper silk is the main reason for the lower value.

A5083 aluminum alloy；crack-like defect；size sensitive fracture resistance

TG457.14

A

1001－2303（2017）02－0107-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.21

2017-01-19

何曉龍（1976—），男，河北滿城人，高級工程師，碩士，主要從事軌道車輛焊接質量控制及過程管理方面的工作。

獻

何曉龍，曹春鵬，單清群.A5083鋁合金焊縫斷裂韌度研究[J].電焊機，2017，47（02）：107-109，118.