7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能研究

程永明，趙旭

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7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能研究

程永明1，趙旭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）

對7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能進行研究。基于統計學方法，分析數據的可靠性及模型合理性。當循環基數為1×107時，得到7XXX鋁合金平滑焊接接頭條件疲勞極限值為119 MPa。觀察典型疲勞失效試樣縱截面，斷裂發生于焊縫區。主導裂紋萌生于試樣表面，隨著循環加載的進行，裂紋垂直加載軸擴展，隨后近似平行于熔合線地長大，其最終取向又垂直于加載方向，局部擴展路徑可見少量的次生裂紋。

7XXX鋁合金；疲勞性能；主導裂紋

7XXX鋁合金屬于Al－Mg－Zn系可熱處理強化鋁合金。高強度高，焊接性能優良。已廣泛應用于鐵路、汽車、航空領域的零部件及焊接結構件。7XXX鋁合金綜合性能優良，但其焊接結構多采用MIG焊施焊，已有的研究結果[1-3]表明，鋁合金接頭性能會有一定程度的降低。對接頭的力學性能特別是動態力學性能進行研究，有非常重要的意義。在深入理解接頭性能的基礎上，為實際焊接結構件的設計，壽命分析與優化提供數據支撐[4-5]。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用9 mm厚的7XXX鋁合金，主要成分如表1所示。焊絲直徑為1.6的ER5356焊絲，采用半自動多道MIG焊實現母材與母材之間的連接，施焊順序如圖1所示。采用如表2所示參數獲得質量優良的焊接接頭。

參考GB/T 3075－2008[6]屬材料疲勞軸向疲勞試驗軸向力控制方法標準加工疲勞試樣，確保試樣表面精度滿足標準要求，試樣尺寸如圖2所示。采用QBG100電液伺服疲勞試驗機進行試驗，疲勞循環基數為1×107，應力比＝0，頻率在100～120 Hz，試驗溫度在20～25 ℃。采用應力范圍表征應力水平大小，對獲得的疲勞數據進行預處理，剔除異常結果，獲得有效的試驗數據。使用JSM 6490LV掃描電子顯微鏡觀察失效試樣斷口特征，分析試樣失效原因。同時利用Axio Observer A1m光學顯微鏡觀察典型失效試樣的裂紋擴展過程。

表1 7XXX鋁合金主要成分（wt%）

表2 三道焊縫工藝參數

圖1 焊道次序

圖2 疲勞試樣尺寸

2 試驗結果及分析

2.1 數據可靠性分析及擬合模型選擇

數據可靠性是疲勞數據分析及模型擬合的前提，參考GB/T 24176－2009疲勞試驗數據統計方案與分析方法[7]和文獻專著[8]。獲得置信度為、可靠度為的－曲線，每級應力水平下有效數據個數不應太少，應滿足：

通常情況下直接擬合數據獲得的－曲線，是在置信度＝50%，可靠度＝50%條件下的結果。據此可得到式（1）中相關參數的大小。即有：u＝0、t＝0.816。對于工程問題而言，介于5%～10%之間。取＝5%。由式（1）計算得到對數壽命的可靠性評價參數結果，如表3所示。

表3 對數疲勞壽命數據可靠性分析

各個應力水平下有效數據個數均滿足式（1），以此試驗數據繪制－曲線是可靠的。同時計算90%置信度、50%可靠度時的值，大小為0.036，式（1）依然成立，如圖3所示。當可靠度一定，隨置信度的增加，有效數據應滿足更加嚴格的限定條件。

圖3 變異系數結果

擬采用線性模型擬合單對數－曲線。當試樣的對數疲勞壽命與應力值的相關系數絕對值大于相關系數起碼值時（統計學臨界值），采用線性模型是可靠的。計算得到相關系數為|cor(lg,)|＝0.9524。查閱統計學臨界值表[8]，當有效試驗數據個數為12時，試驗數據的相關系數起碼值為0.576，變量相關系數遠大于臨界值，選擇線性模型擬合對數疲勞壽命和應力水平可得到合理的結果。

如圖4所示，在循環基數為1×107次時，得到試件平滑焊接接頭的中值條件疲勞極限為119 MPa。基于表3結果，對于有限壽命試樣，隨應力水平不斷增大，接頭對數疲勞壽命分散性呈減小趨勢，160 MPa、180 MPa應力水平的分散性差異不大，205 MPa時對數壽命的分散性最小。即對于相同焊接工藝下獲得的焊接接頭，接頭復雜組織、冶金缺陷等因素對較低應力水平下對數疲勞壽命的均勻性影響更大。

圖4 中值應力壽命曲線

2.2 典型疲勞斷口分析

圖5（a）和（b）為典型的疲勞源特征。裂紋均起源于試件表面，未見明顯的缺陷。通常認為是與最大切應力面相一致的滑移面的晶粒優先屈服而發生了滑移，局部產生應力集中，裂紋萌生于材料自由表面的薄弱位置[9]。疲勞源近鄰區有明顯的滑移痕跡，且存在向四周發散的放射條紋，放射條紋的匯聚區即為裂紋源。斷口局部位置存在氣孔，裂紋前沿達到氣孔處時加速擴展。圖5（c）是裂紋擴展區的典型形貌，疲勞輝紋特征明顯，不同位置輝紋曲率略有差異，這與晶粒取向和復雜的微觀組織相關, 輝紋形成原因可由經典的Neumann[10]雙滑移模型解釋，由于裂尖的塑性鈍效應產生。擴展區局部還可見雜質或第二相粒子剝落留下的凹陷。圖5（d）瞬斷區中存在大量韌窩，撕裂棱特征明顯，局部小韌窩合并形成尺寸較大的韌窩，為典型的微孔聚集性斷裂。

圖5 疲勞失效試樣的典型斷口形貌

2.3 裂紋擴展路徑觀察

圖6為裂紋擴展不同階段特征。從裂紋起裂點至試樣失效時裂紋止裂點，裂紋的兩自由面間距逐漸減小，試樣失效時，裂紋未完全貫穿焊縫厚度。裂紋整體呈現“N”字形擴展規律，局部擴展路徑較平滑，未出現明顯的不規則特征。

裂紋從試樣近熔合線的焊縫自由表面處起裂，初始裂紋擴展方向與加載軸方向幾乎垂直，這是疲勞裂紋擴展第二階段的最典型特征，隨著循環損傷的加劇，裂紋長度增加，局部位置有少量扭折。當裂紋到達熔合線處時，擴展方向發生改變，擴展路徑與熔合線近似平行，與加載軸約呈45°角。當裂紋擴展至焊道熔合線扭折位置時，擴展方向再次發生改變，與加載軸夾角逐漸呈90°，裂紋進入擴展末期，繼續擴展少許長度后，試樣有效面積不足以承載施加載荷，試樣失效。在裂紋擴展路徑的局部位置存在次生裂紋，次生裂紋線度小于400 μm。

分析圖6（b）和（c）可以觀察到，白色虛線區域內部，即裂紋發生扭折區域組織明顯細化，文獻[11-12]指出該區為等軸細晶區（non- dendritic equiaxied grain，EQZ），該區域的產生與晶粒前沿存在的較小的成分過冷度相關，且該區域易萌生裂紋，當已有裂紋到達該區域時，更易穿過該組織區域進行擴展，形成“N”字擴展特征。

圖6 典型失效裂紋擴展路徑

3 試驗結論

本文基于統計學方法，研究7XXX鋁合金平滑焊接接頭疲勞性能，獲得了較可靠的結果，觀察、分析了典型試樣的失效原因和裂紋的擴展過程，主要結論包括：

（1）50%置信度、50%可靠度和90%置信度、50%可靠度的變異系數均滿足要求。通過單對數線性擬合，獲得應力比為0時7XXX鋁合金平滑焊接接頭中值條件疲勞極限為119 MPa；

（2）裂紋起源于焊縫自由表面的局部薄弱區，裂紋源不存在明顯的缺陷，局部區域有明顯的滑移跡線；

（3）靠近熱影響區處的等軸細晶區是裂紋呈現“N”字形擴展的主要原因，擴展路徑較平滑，局部萌生出次生裂紋。

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The Fatigue Performance of Smoothed Weld Joints of 7XXX Aluminum Alloy

CHEN Yongming1，ZHAO Xu2

( 1.CRRC Qjngdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 26111, China;2.School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The fatigue property of the smoothed weld joints of 7XXX aluminum alloy was mainly researched in this paper. Data reliability analysis, as well as reasonability of model was analyzed via the statistics method. The conditional fatigue limit was about 119MPa with the cyclic number of 1×107. Then the cross section of failure specimen was observed in detail, and the location of fracture was determined in the position of the weld, obviously. The dominant crack initiated at the surface of the specimen. It was perpendicular to the loading shaft, then parallel to fusion line and the crack was vertical to loading direction finally with the cyclic loading. Little secondary cracks appeared along the propagation path at the same time.

7XXX aluminum alloy；fatigue property；dominant crack

TG115.5+7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.014

1006－0316 (2018) 07－0059－04

2017－11－23

程永明（1974－），男，山東青島人，碩士，高級工程師，主要研究方向為高速動車組車體焊接技術研發。