6005A鋁合金激光-MIG復合焊接接頭超高周疲勞性能試驗研究

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（西南交通大學力學與工程學院，應用力學與結構安全四川省重點實驗室，四川成都610031）

0 前言

6005A鋁合金屬于Al-Mg-Si系中強可焊鋁合金，具有優良的擠壓成形性、良好的焊接性與較好的力學綜合性能，廣泛應用在國內軌道車輛的車體結構[1]。機車車輛上擠壓型材主要靠焊接方式連接，由于鋁合金較高的熱導率、較大的線膨脹系數和鋁氧化膜，傳統MIG或TIG等焊接工藝獲得的焊接接頭容易產生氣孔、熱裂紋等缺陷，導致焊縫力學性能降低、耐腐蝕性減弱[2-4]。激光-MIG復合焊接工藝結合激光和MIG電弧兩種熱源的優點，提高了焊接過程的能量利用率，熱輸入較低且焊縫、熱影響區面積較小[5]，對中厚板鋁合金的焊接有良好的工藝適應性[6-10]。

我國已建成世界上運營里程最長、運營速度最快的高鐵系統，據統計機車車輛許多結構在失效時已經歷了107以上的循環載荷，開展軌道車輛用鋁合金厚板焊接接頭的超高周（107以上）疲勞性能研究對其疲勞壽命預測與安全壽命設計極為重要。以高速列車用6005A鋁合金在激光-MIG復合焊接工藝下的焊接接頭為研究對象，對其焊接接頭進行對稱拉壓超聲疲勞試驗，得到6005A鋁合金的焊接接頭的超高周疲勞性能，并對斷口進行電鏡掃描，探討焊接接頭的裂紋萌生及擴展機理。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

焊接母材為3塊18mm厚6005A鋁合金擠壓型材，供貨狀態 T6，彈性模量 70GPa，密度 2710kg·m3，抗拉強度260 MPa。其中1、2號試板尺寸為140mm×116 mm×18 mm，3號板尺寸70mm×116 mm×18 mm。三塊板接口處均加工成50°的Y型坡口進行對焊，如圖1所示。3塊板均采用直徑1.6 mm的ER5356鋁鎂合金作填充焊絲、四道焊堆積工藝進行激光-MIG復合焊接，6005A母材及焊絲的主要化學成分見表1。激光-MIG復合焊的基本焊接參數見表2，其中1、2號板在填充與蓋面過程中激光光束設置有3 mm的擺動，3號板四道焊激光光束均無擺動。焊接后的試板如圖2a所示，去掉起弧和落弧端，在垂直焊縫的方向上截取板狀試樣。

圖1 Y型坡口示意Fig.1 Schematic diagram of Y-type groove

1.2 試驗方法

對稱拉壓超聲疲勞試驗中要求試樣的固有頻率與加載系統的振動頻率相同，利用有限元軟件ANSYS確定板狀試樣的尺寸如圖2b所示，試樣厚度5 mm，進一步計算得到應力位移系數Cs=4.49 MPa·μm-1。使用USF-2000型超聲疲勞試驗機分別對焊接接頭和母材進行超高周疲勞拉伸試驗，加載頻率20 kHz，應力比R=-1，環境溫度為室溫。試樣在高頻振動時會生熱，采用空氣壓縮裝置冷卻試樣表面。

表1 母材及焊絲的化學成分Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire %

表2 激光-MIG復合焊接參數Table 2 Parameters of laser-MIG hybrid welding

圖2 試樣尺寸Fig.2 Schematic diagram of specimen size

2 試驗結果

2.1 宏觀試驗

6005A鋁合金焊接接頭和母材的超高周疲勞試驗曲線（S-N曲線）如圖3所示，其中R為相關系數。

圖3 焊接接頭與母材的超高周疲勞試驗曲線（S-N曲線）Fig.3 Ultrahigh cycle fatigue test curves of welded joints and base metal(S-N curve)

由圖3可知，6005A鋁合金母材和焊接接頭的疲勞S-N曲線在104～109范圍內均呈現連續下降趨勢，在疲勞壽命109以后仍會發生斷裂，不存在傳統意義上的“疲勞極限”，焊接接頭的疲勞性能均低于母材。由于焊接組織的不均勻性，3塊板的焊接接頭疲勞性能數據點分散性都比較大。

當循環次數N=106時，母材疲勞強度165.7 MPa，1、2號板疲勞強度為130.6 MPa，3號板疲勞強度為96.6MPa，分別為母材強度的78.8%和58.3%；當循環次數N=109時，母材疲勞強度為107.2 MPa，1、2號板疲勞強度為80.5MPa，3號板疲勞強度為73.3MPa，分別為母材強度的75.1%和68.4%，可見3號板因板長和焊接工藝的不同，總體的超高周疲勞性能比1、2號板更差。因此，焊接結構的疲勞極限仍按照傳統107周次或者母材的疲勞極限設計非常危險，應充分考慮焊接缺陷及其他不利因素導致的焊接接頭疲勞性能的降低。

為進一步評價焊接接頭疲勞質量，統計分析1、2板的焊接接頭，對比不同存活率下的S-N曲線與國際焊接學會（IIW）推薦的標準S-N曲線[11]。根據IIW標準主要考慮尺寸系數、加載系數、殘余應力影響，分別取對應疲勞增強系數為1.3、1.6、1.3，修正后的S-N曲線如圖4所示。

由圖4可知，95%存活率下的焊接接頭疲勞壽命在N=104時與IIW標準基本符合，在N=104以后3種存活率下的焊接接頭疲勞性能相比IIW標準都有明顯的提高，說明此試驗的焊接接頭在高周范圍內的疲勞性能良好，反映了激光-MIG焊接鋁合金厚板有明顯的工藝優勢。

試樣的宏觀斷口形貌如圖5所示。6005A母材試樣的疲勞裂紋以剪切形式與試樣軸向成45°方向擴展，焊接接頭試樣由于內部氣孔等缺陷，裂紋擴展呈現出不規則形式。

圖4 修正后的S-N曲線Fig.4 Corected S-N curve

圖5 斷口宏觀形貌Fig.5 Macroscopic fracture morphology

2.2 斷口微觀觀察

采用掃描電鏡觀察分析焊接接頭斷口，結果如圖6所示，焊接接頭在N=3.44e9循環周次下的低倍形貌見圖6a。可以看出，截面上分布著不同大小的氣孔，整個試樣的斷口截面可分為3個不同區域：第一擴展區（A）、第二擴展區（B）和塑性區（C），箭頭所指的表面氣孔為裂紋源。其中區域A的平整光滑程度最高，這是由于該區處于裂紋擴展初期，裂紋擴展速率緩慢，裂紋反復張開閉合引起匹配斷口表面相互摩擦與擠壓形成。

由圖6b、6c可知，整個試樣的疲勞裂紋斷裂為穿晶斷裂，在擴展初期顯示出準解理斷裂形式，斷面上有二次裂紋的存在。C區呈現韌窩形貌特征，表明試樣在終斷區的斷裂以塑性變形為主。

3 結論

（1）6005A鋁合金激光-MIG復合焊接接頭的超高周疲勞性能數據分散性較大，焊接接頭和母材在109循環周次后均會發生斷裂，不存在傳統意義上的疲勞極限。

圖6 焊接接頭超高周疲勞斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology for ultrahigh cycle fatigue fracture of welded joints

（2）焊接接頭與母材的S-N曲線均隨疲勞循環周次的增加呈現連續下降趨勢，焊接接頭的超高周疲勞性能比母材差，在106～109周次范圍內焊接接頭的疲勞強度只有母材的50%～80%，焊接工藝會對焊接接頭超高周疲勞性能產生影響。

（3）將所得焊接接頭S-N曲線與IIW標準S-N曲線對比發現，在循環周次N=104時基本一致，在104以后焊接接頭疲勞性能比IIW標準有明顯的提高。

（4）6005A鋁合金母材板狀試樣的疲勞裂紋以剪切方式擴展，且裂紋擴展面與試樣軸線成45°的夾角，焊接接頭板狀試樣裂紋以不規則的形式擴展。

（5）焊接接頭的表面氣孔是疲勞裂紋萌生的有利位置，疲勞裂紋斷裂形式為穿晶斷裂，主要表現為準機理斷裂，斷裂面上存在二次裂紋。

[1]何廣忠，劉長青.動車組鋁合金車體材料的發展與選型分析[J].焊接，2015（1）：13-16.

[2]黎碩，王軍，楊上陸，等.鋁合金激光-MIG復合焊接氣孔缺陷研究[J].應用激光，2013，33（6）：595-600.

[3]BUNAZIV I，AKSELSEN O M，SALMINEN A，et al.Fiber laser-MIG hybrid welding of 5 mm 5083 aluminum alloy[J].Journal of Materials Processing Technology，2016（233）：107-114.

[4]CARUSO S，SGAMBITTERRA E，RINALDI S，et al.Experimental comparison of the MIG，friction stir welding，cold metal transfer and hybrid laser-MIG processes for AA 6005-T6 aluminium alloy[C].Chinesta F，Cueto E，Abisset-Chavanne E.AIP Conference Proceedings.AIP Publishing，2016，1769（1）：100004.

[5]ZHANG L J，BAI Q L，NING J，et al.A comparative study on the microstructure and properties of copper joint between MIG welding and laser-MIG hybrid welding[J].Materials&Design，2016（110）：35-50.

[6]譚兵，馬冰，張立君，等.中厚度鋁合金激光-MIG復合焊接組織與性能研究[J].兵器材料科學與工程，2010，33（5）：17-20.

[7]安治業，趙紅偉，田愛琴，等.6005A鋁合金激光-MIG復合焊接對板厚的工藝適應性[J].電焊機，2014，44（10）：118-122.

[8]季衛東，陳輝.10 mm厚6005A鋁合金激光-MIG復合焊接[J].電焊機，2014，44（9）：128-132.

[9]張傳臣，陳芙蓉.厚板高強鋁合金焊接發展現狀及展望[J].電焊機，2007，37（7）：6-11.

[10]胡佩佩，王春明，胡席遠.光纖激光-MIG復合焊接中厚板鋁合金組織特征[J].電焊機，2010，40（11）：42-46.

[11]Hobbacher A.Recommendations for fatigue design of welded joints and components[M].New York：Welding Research Council，2009.