焊接氣孔缺陷對A7N01鋁合金焊接接頭腐蝕疲勞性能的影響

王 新 ，周 強 ，徐曉龍

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031）

焊接氣孔缺陷對A7N01鋁合金焊接接頭腐蝕疲勞性能的影響

王 新1，周 強2，徐曉龍2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031）

在不同環境濕度條件下制備了不同焊縫氣孔率的A7N01鋁合金焊接接頭，并通過條件腐蝕疲勞強度和斷口微觀形貌研究氣孔缺陷對焊接接頭腐蝕疲勞性能的影響。結果表明，當焊接環境的濕度由常濕增至70%時，焊縫的平均氣孔率由0.07%增大為0.16%，接頭的條件腐蝕疲勞強度由110MPa降為100MPa，焊接氣孔缺陷對A7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕疲勞性能有明顯影響。焊縫中的氣孔會造成嚴重的缺口效應，引起應力集中，導致裂紋在氣孔處優先萌生，并在應力和腐蝕介質的共同作用下形成沿晶與脆性疲勞條帶的混合斷裂形貌。

A7N01鋁合金；焊接接頭；氣孔；腐蝕疲勞

0 前言

焊縫氣孔是鋁合金熔焊時最常見的缺陷[1]，氫是熔焊時產生氣孔的主要原因[2-3]，主要來源于弧柱氣氛中的水分和焊接材料以及母材吸附的水分，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分是焊縫產生氣孔的主要原因，鋁合金焊接時很少的氫都可能引起嚴重的氣孔。同時，鋁的導熱性能強，其熔合區的冷卻速度很大，不利于氣泡逸出，因此很容易產生氣孔[4]。

焊縫中的氣孔對鋁合金焊接接頭的力學性能和疲勞性能會產生較大影響。R.F.Ashton等人[5]研究了氣孔對5086-H116鋁合金的焊接接頭性能的影響，指出焊縫中的氣孔會降低沖擊韌度和接頭抗拉強度，同時導致接頭的抗彎曲性能變差。Jan Linder等人[6]研究了氣孔對砂型鑄造與金屬型鑄造的鋁合金的疲勞性能的影響，結果表明，氣孔的存在會降低鋁合金的疲勞性能，并且對于砂型鑄造的鋁合金影響很大。薛小懷等人[7]研究了6061鋁合金的氣孔敏感性，結果表明，環境濕度和溫度對鋁合金焊接時的氣孔敏感性具有顯著影響，同時，MIG焊時的氣孔敏感性對于環境因素影響比TIG焊時更顯著。日本的氣孔防止研究委員會研究表明[8]，當氣孔缺陷高于在JIS（1995）的4級時，氣孔的影響并不至于造成靜強度下降，而當大氣孔分布在焊縫中心時，其影響很明顯，抗拉強度降低16%，當去除焊縫的加強高時，氣孔對疲勞強度的影響會遠遠大于靜強度的影響。

腐蝕疲勞除具有常規機械疲勞的特點外，由于受腐蝕性環境的侵蝕，腐蝕性電解質與金屬材料通過電化學腐蝕起作用，材料的腐蝕疲勞壽命比一般疲勞壽命短，特別是在應力接近空氣中疲勞極限的情況下。關于氣孔對鋁合金焊接接頭腐蝕疲勞性能的影響，國內外還少有系統研究。本研究針對氣孔對A7N01鋁合金熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）接頭在3.5%NaCl溶液中腐蝕疲勞性能的影響進行研究。

1 試驗材料及方法

試驗用鋁合金A7N01厚8 mm，填充材料采用直徑1.2 mm的ER5356焊絲，保護氣為99.999%Ar。A7N01及焊絲化學成分見表1。采用MIG焊對A7N01試板進行打底和蓋面兩道對接焊，焊接示意如圖1所示，焊接參數如表2所示。當相對濕度為70%時，氣孔面積占有率最高，疲勞強度低。分別在常溫常濕和常溫、相對濕度70%的環境下進行焊接。

焊接完成后，采用X射線探傷設備（XXQ2505DXK3.2）檢測接頭缺陷，探傷主要參數如表3所示。

圖1 焊接示意

表2 A7N01S焊接工藝參數

參照《GB/T 20120.01-2006金屬和合金的腐蝕-腐蝕疲勞試驗-第1部分：循環失效試驗》[9]、《GJB 1997-94金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗方法》[10]，采用成組法和升降法進行軸向腐蝕疲勞試驗。在PWS-100電液伺服低頻疲勞試驗機上進行軸向拉拉試驗，試樣尺寸如圖2所示。試驗溶液采用質量分數為3.5%的NaCl中性溶液，試驗頻率f=10 Hz，應力比R=0.1，試驗波形為正弦波，設定循環壽命5×105次。

采用掃描電子顯微鏡（HITACHI JSM-6490LV）觀察腐蝕疲勞試驗試樣斷口微觀形貌。

表3 探傷主要參數

2 結果及分析

2.1 焊縫氣孔缺陷

常溫常濕環境條件下與常溫、70%濕度條件下焊接試板的無損檢測照片如圖3所示，在常溫、70%濕度條件下得到的焊接接頭氣孔率遠遠大于常溫常濕條件下的接頭。為了定量分析鋁合金焊接接頭氣孔數量、大小和面積，對兩種接頭沿焊縫截面取樣，采用Imagepro-Plus圖像分析軟件逐個統計氣孔的數量、面積占有率和大小，如圖4所示，統計結果如表4所示。

圖2 腐蝕疲勞試樣尺寸（單位：mm）

圖3 A7N01鋁合金在兩種條件下的MIG焊接頭X射線無損檢測形貌

在常溫常濕條件下，焊接接頭的氣孔面積非常小，并且氣孔占有率很低，可視為正常的鋁合金熔焊接頭，焊縫中代表性的氣孔數據如表4所示。在常溫、70%濕度條件下，焊接接頭氣孔占有率平均為0.16%，單個氣孔的最大面積也大大提高，形成了富集氣孔缺陷的熔焊接頭。

圖4 A7N01鋁合金常溫、70%濕度焊接接頭氣孔統計

2.2 氣孔缺陷對A7N01焊接接頭腐蝕疲勞性能的影響

表4 A7N01焊縫區氣孔統計

成組法腐蝕疲勞試驗以145 MPa作為起始加載應力，根據斷裂循環次數，將應力遞減或增加5%～10%，直至第一次達到條件疲勞壽命500 000次，采用升降法進行試驗，從而獲得條件腐蝕疲勞強度。兩種接頭的腐蝕疲勞強度曲線如圖5所示，可該試件在條件循環壽命為500 000次時，正常接頭與富集氣孔的接頭試件在3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞強度分別為110MPa和100MPa。富集氣孔的接頭試樣均斷裂于焊縫，主要是由于大面積氣孔缺陷的存在減少了有效橫截面積，使焊縫區的應力集中更嚴重。

圖6為A7N01鋁合金在常溫常濕條件下獲得的正常焊接接頭在3.5%NaCl溶液中斷裂在焊縫區的腐蝕疲勞斷口微觀形貌。圖6a為斷口的低倍形貌，A處為腐蝕坑。腐蝕疲勞源區微觀形貌比較復雜（見圖6b），有沿晶、早期疲勞條帶、混合形貌等斷口特征，疲勞源在腐蝕坑處萌生，腐蝕坑附近為沿晶與腐蝕泥的混合形貌，部分腐蝕產物堆積呈泥狀花樣，腐蝕由表面向深處發展。疲勞條帶是疲勞裂紋穩定擴展第Ⅱ階段的典型微觀形貌特征，圖6c為斷裂在焊縫區的脆性疲勞條帶，條帶參差不齊，脆性疲勞條帶的形成與裂紋尖端及其環境因子交互作用有關。疲勞條帶表面還伴有二次裂紋和“空洞”存在（見圖6d），鋁合金內部存在大量的二相粒子，在軸向拉伸交變應力與腐蝕介質的交互作用下，二相粒子與基體金屬間的結合力降低，部分二相粒子脫離基體形成“空洞”同時促進裂紋擴展。

圖5 A7N01鋁合金兩種接頭腐蝕疲勞強度曲線

圖6 A7N01正常接頭的腐蝕疲勞斷口微觀形貌

圖7為A7N01鋁合金在常溫、70%濕度條件下獲得的富集氣孔的焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞斷口形貌。觀察斷口的低倍形貌可知，疲勞源附近有密集氣孔分布（見圖7a），氣孔會造成嚴重的缺口效應，引起應力集中，使得裂紋優先在此處萌生，同時大氣孔周圍小氣孔的存在為裂紋的擴展提供了一條快速通道，降低試件疲勞壽命。圖7b為疲勞源向脆性疲勞條帶過渡區，主要表現為沿晶形貌與脆性疲勞條帶混合形貌。圖7c為腐蝕疲勞斷口典型的脆性疲勞條帶，瞬斷區斷口微觀形貌主要表現為靜載瞬時特征，出現韌窩形貌（見圖7d）。

圖7 A7N01鋁合金富集氣孔接頭的腐蝕疲勞斷口微觀形貌

3 結論

（1）增加焊接環境的濕度使A7N01鋁合金接頭焊縫的平均氣孔率由0.07%增至0.16%，接頭的條件腐蝕疲勞強度由110 MPa降至100 MPa，焊接氣孔缺陷對A7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕疲勞性能有明顯影響。

（2）焊縫中的氣孔會造成嚴重的缺口效應，引起應力集中，導致裂紋在氣孔處優先萌生，并在應力和腐蝕介質的共同作用下形成沿晶與脆性疲勞條帶的混合斷裂形貌。

[1]Vell Smith.US.Efficient Welding Fabrication of Extruded.AluminumMat Panels[R].ArmyBelvoirResearch，Development and Engineering Center，1991.

[2]水野政夫.鋁及其合金的焊接[M].許慧姿，譯.北京：冶金工業出版社，1985.

[3]Malina.Study of metallurgical phenomena in the HAZ of 6061-T6 aluminum welded joints[J].Welding Research Supplement，1995（12）：305-318.

[4]T.Luijendijk.Welding of dissimilar aluminum alloys[J].Journal of Materials Processing Technology，2000（103）：29-35.

[5]Ashton R F，Wesley R P，Dixon C R.The Effect of Porosity on 5086-H116 Aluminum Alloy Welds[J].Welding Research，2003（25）：315-320.

[6]Jan Linder，Markus Axelsson，Henrik Nilsson.The influence of porosity on the fatigue life for sand and permanent mould castaluminum[J].InternationalJournalof Fatigue，2006（28）：1752-1758.

[7]薛小懷，鄧正才.6061鋁合金氣孔敏感性研究[R].汽車焊接國際論壇，2003.

[8]日本氣孔防止研究委員會.鋁及其合金焊縫氣孔的評價及其產生傾向-氣孔對焊接接頭性能的影響[J].輕金屬溶接，1980：[頁碼不詳].

[9]GB/T 20120.01-2006.金屬和合金的腐蝕-腐蝕疲勞試驗——第1部分：循環失效試驗[S].

[10]GJB 1997-94，金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗方法[S].

Influence of welding pore defect on corrosion fatigue property of welded joint of A7N01 aluminum alloy

WANG Xin1，ZHOU Qiang2，XU Xiaolong2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The welded joints of A7N01 aluminum alloy with different weld porosities are prepared in environment with different humidity.The influence of pores defect on corrosion fatigue property of the welded joints is studied by the conditional corrosion fatigue strength test and the fracture morphology observation.The results show that the average porosity increases from 0.07%to 0.16%when the humidity enhances to 70%，and the conditional corrosion fatigue strength decreases from 110 MPa to 100 MPa.Pore defects obviously affect the corrosion fatigue property of welded joints of A7N01 aluminum alloy.The pores in welds will cause serious gap effect and stress concentration，which lead to the priority initiation of cracks near the pores.The cracks form mixed fracture morphology，which propagates along the crystal and fragile fatigue strips under the collective effect of stress and corrosion medium.

A7N01 aluminum alloy；welded joint；pore；corrosion fatigue

TG405

A

1001-2303（2017）10-0058-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.12

本文參考文獻引用格式：王新，周強，徐曉龍.焊接氣孔缺陷對A7N01鋁合金焊接接頭腐蝕疲勞性能的影響[J].電焊機，2017，47（10）：58-62.

2017-05-18

王 新（1980—），男，高級工程師，碩士，主要從事高速列車鋁合金車體焊接結構工藝及性能的研究工作。E-mail：sfwangxin@cqsf.com。