鋁合金材料焊接接頭斷裂行為研究

陳文祥

（武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065）

近年來，隨著工業及制造業的蓬勃發展，汽車、火車、飛機等現代交通工具也逐漸進入大眾視野和生活當中，人們的生活水平不斷提高的同時，對交通出行的各方面要求也在不斷增加。其中汽車行業便是增長最快的行業之一，然而，面對能源緊張的問題，在現代工業生產過程中，機械設備輕量化已經逐漸成為重點發展環節，鋁合金材料因其綜合性能的特點，如高強度及延伸性好等，逐漸成為汽車制造行業中的重要材料，除了節約成本之外，還能夠大幅度減少材料的消耗，減輕結構重量，有效提升經濟效益，也極大的推動了鋁合金材料及焊接技術工藝的快速發展。

1 鋁合金焊接接頭表征的作用

在汽車工業生產過程中，質量安全是非常重要的部分，也是社會重點關注的問題，在汽車工藝設計生產過程中，要充分權衡車體的整體重量以及安全性。首先需要保障車身結構具備靜態材料力學性能。而焊接工藝技術對保障整個結構安全性有著重要的作用，在實際焊接過程當中，存在一些缺陷，如焊接熱裂紋、不透徹等將會嚴重影響汽車材質的安全。此外，焊接工藝技術和方法、材料性能差異性也是其中重要的影響因素，傳統力學性能表征不能精確描述不均勻，因此，進一步探索新材料的表征特性，能夠描述材料產生的不均勻性。

2 斷裂機制及研究現狀

2.1 絕熱剪切帶產生機理及內部關系

通常情況下，金屬材料受到高速沖擊，會導致塑性變形，薄弱環節局部變形會導致絕熱剪切帶逐漸形成，便會產生以下結果：首先，塑性變形會出現加工硬化的情況，再者，在加工過程中會出現大量的熱量，快速升溫，將會導致材料逐漸軟化，該區域便會逐漸變軟，塑性擴展變形會逐漸形成絕熱剪切帶。局部化剪切變形的發展過程是極為短暫的，這些因素之間相互影響，局部化變形之后，是一個軟化的過程，溫度升高的情況下會導致熱軟化，在不斷變形過程中，材料的承載能力也會下降，材料軟化會出現微裂紋。

2.2 韌窩斷裂和剪切斷裂

金屬韌性斷裂主要分為韌窩斷裂與剪切斷裂模式，材料韌窩通常情況下主要是由擴張以及匯合導致，材料剪切面出現開裂。可以將其認為是細觀剪切面逐漸形成的細觀剪切變形，主要的方式便是晶體間的結合脫離與局部應力作用從而致使破碎，晶體間出現不協調導致晶體互相脫離，形成空穴[1]。

其中主要的組成部分便是第二相粒子以及基體，材料當中的第二相粒子塑性相對較差，兩者之間有著一定的差別，如彈性模量不同。在外界作用的影響，基體逐漸變形，其形態也會發生變化，孔洞形核后長大，在變形過程中，孔洞的實際增長相對比較緩慢，且會出現新孔洞形核，孔洞間的變形主要由局部決定，且孔洞間韌帶斷裂也會導致孔洞連接，斷裂便逐漸產生，斷裂也會通過孔洞的裂紋聚合進行。

3 鋁合金材料焊接接頭斷裂行為研究

3.1 試驗方法

試樣拋光，因為試驗需要，需要對試樣進行全面的觀察，常用的拋光方法有電解拋光、機械拋光以及化學拋光，每種方面都有各自的優點和缺點，且并不適用范圍也有所不同。

機械拋光主要是對不同的金屬材料適應性特點較長使用的方法，對相關工作人員有著較高的要求，不同材料在實際操作過程中具體流程規范也會不同，通常應用在非常硬的金屬材料中，拋光效果較差[2]。

電解拋光是通過電化學對金相磨面，保障平整光潔，通常情況下，常被應用于硬度比較低的金屬材質，拋光效果優于機械拋光。不僅能夠節省時間，且能夠節省材料，效果相對穩定。化學拋光在實際操作過程中，不會出現變形層，一般適合軟質的材料，整個操作流程相對簡單，且對整個尺寸無特別要求，但是成本相對較高，消耗較大。根據鋁合金自身的特點，采用電解拋光法進行拋光是非常適合的，機械拋光很容易會出現變形層，對拋光質量產生很大的影響。拋光時間為1分鐘到1.5分鐘左右，用水進行加熱，溫度在70℃至90℃之間，電流的密度在1A至2A。

3.2 試驗結果與討論

通過觀察，能夠發現變形主要是集中于到頭兩側區域，中間區域晶粒并未發生變化，應力主要集中刀頭兩側晶粒，首先出現滑移帶，晶粒表面存在較少的滑移帶，且滑移帶方向與加載方向相同，切應變逐漸增加，滑移帶數量逐漸增多，加載方向逐漸產生微裂紋，兩條裂縫方向和加載方向一致，主要是因為晶粒形成[3]。動載環境下，局部剪切帶的發展時間非常短暫，通常認為剪切變形帶產生是克服其他條件的結果。材料軟化過程中，溫度會逐漸升高，導致出現熱軟化，材料軟化主要表現在微裂紋或者是孔洞的形成、連接，剪切變形帶主要是在非常窄的剪切面形成。剪切變形帶軟化通常是因裂紋導致產生的。滑移帶數量不斷增多的同時，晶粒加載方向也會逐漸被拉長，在不斷發展過程中，便能夠看到比較粗的滑移帶形成，應變逐漸增大，晶粒樣貌也會發生變化，晶體便會出現塑性變形，滑移帶大致方向與之接近。

熱影響區加載過程當中，在熱影響區晶粒會受到焊接產生的熱量影響，基體會發生分解，組織便會受到很大的影響。試樣變形通常主要集中于刀頭兩側區域，在遠離刀頭的區域沒有顯著的變化，與母材變化狀況是相同的。切應變為金相組織，能夠看到較少的滑移線，并有少量皺褶出現，切應變不斷增大的時候，滑移線也會逐漸增加，皺褶也會不斷增多，形變逐漸增加。應變繼續增大的情況下，變形也會越來越嚴重。繼續加載，就會導致斷裂。

4 結語

近年來，隨著經濟不斷的發展，各行各業也得到了蓬勃的發展，人們對于能源的需求也在不斷增加，鋁合金材料因其自身存在的優點和特性，被廣泛應用于汽車、航空等領域生產當中，對工業生產有著重要的影響。當前，在焊接工藝當中雖然存在一些問題，只要堅持不懈的努力和探索，便能夠提升鋁合金材料的性能和特質，更好的服務于工業生產活動。