胡冬生，何順鵬

（1.廣東南車軌道交通車輛有限公司，廣東江門　529100；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都　610031）

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A7N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能比較

胡冬生1，何順鵬2

（1.廣東南車軌道交通車輛有限公司，廣東江門529100；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

摘要：目的通過升降法研究了A7N01S-T5鋁合金熔化極氬氣保護焊（MIG）不同形式、不同厚度焊接接頭疲勞性能，結(jié)果表明4 mm、8 mm和16 mm厚7N01鋁合金對接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭的疲勞強度范圍分別為72.73–39.84Mpa、60.88–34.32MPa和42.15–32.49MPa；上述接頭的應力集中系數(shù)范圍分別為1.06–1.27、1.10–1.35和5.23–6.50。接頭內(nèi)部氣孔和幾何形狀所誘發(fā)的應力集中是7N01鋁合金焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的重要原因。

關鍵詞：A7N01S-T5鋁合金；焊縫接頭；疲勞性能

7N01鋁合金系主要運用于底架、端面梁和門檻等動車組車體承載結(jié)構(gòu)。然而，動車組車體往往采用鋁合金焊接制造而成，焊接結(jié)構(gòu)失效頻次最高的是疲勞失效［1-3］。并且疲勞失效往往具有相對的隱蔽性和突發(fā)性，對動車組車體結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量安全具有嚴重制約［4-5］。同時7N01鋁合金車體部件焊接接頭類型多，厚度跨度大，循環(huán)交變載荷服役條件復雜，但了解疲勞失效的損傷類型、程度和特性是動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)設計和維保的先決條件。因此開展7N01鋁合金焊接接頭疲勞性能研究工作具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

關于鋁合金焊接接頭疲勞性能的報道多集中于某一種接頭類型或某一固定厚度尺寸，對鋁合金，尤其7N01鋁合金不同接頭形式、不同厚度的研究相對較少［6-14］。而本文針對底架框架用7N01鋁合金進行了不同厚度、不同焊接接頭的疲勞性能研究，以便動車組車體焊接結(jié)構(gòu)設計和疲勞損傷檢測方案制定提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

1　試驗材料與試驗方法

1.1試驗材料

采用A7N01S-T5國產(chǎn)鋁合金為焊接母材，利用Φ1.6 mm SAF ER5356焊絲為填充材料，母材和填充材料具體的化學成分如表1所示。焊接試板規(guī)格均為350 mm×150 mm，厚度分別為4 mm、8 mm和16 mm。其中對接接頭為無鈍邊、70°V型坡口，4 mm的十字接頭無坡口，8和16 mm的十字接頭為40°K型坡口、鈍邊為1 mm，搭接接頭均無坡口。

1.2試驗方法

焊接保護氣體為高純氬(純度99.999％)。通過421EXPERT Force Arc MIG焊機制備焊縫接頭。對接接頭焊接電流、電壓和線能量分別為151.0～230.0 A，22.0～25.7 V和306.7～418.1 J/mm，其他接頭的焊接電流、電壓和線能量分別為118～245 A，19.1～25.7 V和264.1～498.8 J/mm。焊前對焊道做機械清理，其中16 mm的試件進行預熱，預熱溫度低于100℃；焊接過程中的層間溫度低于70℃，焊后僅用不銹鋼絲刷清除焊縫黑灰，不做其它處理。

按照JIS Z2273-1987和GB/T 3075-2008標準在GPS200高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗。試驗過程中保持溫度為20～25℃，濕度不大于50％的非腐蝕性氣氛。對試樣施加軸向拉伸應力，加載頻率為100～110 Hz，循環(huán)應力比R=0。約定當循環(huán)次數(shù)為1.0×107、焊接接頭未遭到破壞時，此時的強度為該接頭的極限疲勞強度值。利用JSM-7001F掃描電鏡和ANSYS軟件分別對部分接頭斷口進行了觀察和應力分布情況模擬分析。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1疲勞性能比較與分析

圖1為4 mm、8 mm和16 mm厚對接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭焊縫強度隨著疲勞循環(huán)次數(shù)增加而變化趨勢圖。其中圖1中的（a）、（b）和（c）分別是上述三種接頭焊縫在4 mm、8 mm和16 mm的S-N曲線圖，圖1（d）為循環(huán)次數(shù)為1.0х107不同厚度接頭焊縫的條件極限疲勞強度值變化。從圖1可以看到同樣厚度條件下，三種接頭焊縫的極限疲勞強度大體趨勢是對接焊縫的極限疲勞強度最大，搭接焊縫的極限疲勞強度次之，十字焊縫的最小。僅當厚度為4 mm時，圖1（a）中橫向十字接頭焊縫極限疲勞強度大于搭接接頭焊縫的。這可能與板材厚度和焊縫的尺寸較低有關。厚度低，軸向傳力線變化相對連續(xù)和平緩。對接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭疲勞強度依次減少的規(guī)律與何如［7］，張紅霞等［8］的研究結(jié)果一致。

從圖1（d）中可以看到同種接頭焊縫的極限疲勞強度隨著板厚增加而逐漸降低，但這種降低幅度在對接接頭、搭接接頭和十字接頭中呈逐漸減少的趨勢。其中4 mm、8 mm和16 mm對接焊縫的極限疲勞強度分別為72.5 MPa、50.23 MPa和42.23 MPa；4 mm、8 mm和16 mm搭接焊縫的極限疲勞強度分別為60.13 MPa、30.11MPa和30.11MPa；4 mm、8 mm和16 mm十字接頭的極限疲勞強度分別為42.75 MPa、40.22 MPa和32.41 MPa。即在同等條件下，焊縫厚度對極限疲勞強度增加的貢獻將越小。焊縫接頭疲勞強度隨著厚度增加而降低，與焊縫金屬材料“尺寸效應”有關。即在相同的焊接工藝條件下，假設單位體積中焊縫缺陷一定，則焊縫尺寸越大其缺陷量越多。并存在某一缺陷累積臨界值，當接近或達到該臨界值時，焊接接頭疲勞強度值將為定值。

統(tǒng)計不同接頭焊縫疲勞試驗失效位置，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的焊縫均在焊趾或焊根位置出現(xiàn)開裂。圖2為8 mm對接接頭、十字接頭和搭接接頭失效位置宏觀圖。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，焊趾或焊跟是上述三種接頭焊縫失效裂紋萌生初始位置。搭接接頭疲勞裂紋萌生位置為偏向側(cè)向搭接板的背部焊縫焊根處。從疲勞裂紋起始位置可以推測，該部位可能是焊縫缺陷重災區(qū)或應力集中部位［8-9，11-13］。因為焊趾靠近熔合線，而熔合線周圍往往是焊縫與母材之間成分、組織劇烈變化的過渡部位，這些微區(qū)往往成為微裂紋的萌生源［15-17］。

圖1　不同厚度下不同接頭焊縫疲勞性能比較

焊接接頭疲勞斷口形貌往往能夠反映裂紋萌生的一些信息。圖3為8 mm不同接頭焊縫疲勞斷口形貌。其中圖3中的（a）和（b）分別表示8 mm對接接頭疲勞裂紋源和擴展區(qū)，圖3中的（c）和（d）分別表示搭接接頭疲勞裂紋源和擴展區(qū)。從圖3中的（a）和（c）中可以看到疲勞裂紋源區(qū)存在少量的氣孔區(qū)，這表明淺表層氣孔可能對疲勞裂紋形成有促進作用。從圖3（b）中可以看到疲勞條紋稠密地分布于一平臺，并存在少量的二次裂紋；而圖3（d）中可以看到疲勞條紋分布于臺階間隙上，周圍分布有撕裂棱和較多的二次裂紋。

圖2　不同接頭疲勞試驗裂紋起始位置比較

圖3 8 mm不同接頭疲勞斷口形貌比較

圖4為16 mm不同接頭疲勞斷口形貌。其中圖4（a）和（b）為16 mm對接接頭疲勞裂紋源區(qū)和擴展區(qū)，圖4中的（c）和（d）為16 mm搭接接頭疲勞裂紋源區(qū)和擴展區(qū)。相較于圖3中的（a）和（d）中，從圖4中的（a）和（d）可以看到疲勞源的淺表面的氣孔數(shù)量和尺寸明顯增加，如黑線框中標出區(qū)域。16 mm搭接接頭疲勞裂紋源區(qū)氣孔的分布區(qū)域明顯大于16mm對接接頭的。從圖4中的（b）和（d）中看到疲勞擴展區(qū)的疲勞條紋并不明顯，但均存在一定的二次裂紋。

圖4　16 mm不同接頭疲勞斷口形貌比較

2.2ANSYS應力分布模擬分析

焊接接頭疲勞失效主要由接頭幾何形狀引起的固有和外部加載應力集中所造成的，焊接缺陷所誘發(fā)疲勞斷裂極少［18-19］。因此有必要考察焊接接頭應力分布以及應力集中情況。圖5為4 mm不同接頭的ANSYS模擬應力分布圖。由于疲勞試驗中的極限疲勞強度為30.11 MPa，所以模擬加載30.0 MPa。從圖5中可以看出各接頭焊縫焊趾或焊根的應力最大，4 mm對接接頭、搭接接頭和十字接頭的應力分別為31.7 MPa、157MPa和33.1MPa，由應力集中系數(shù)計算公式（1）可以得到上述三種接頭的應力集中系數(shù)分別為1.06、1.10和5.23。

從圖5（a）中可以看到對接接頭焊縫背面焊趾處應力比正面的大，這是由于反面焊趾焊縫過渡角、焊縫過渡半徑過小于均會導致傳力線密度激劇變化而造成應力集中［18］。這種應力集中模式同樣適應于圖5 （b）和（c）中的橫向十字接頭和搭接接頭焊縫。

圖5　4mm不同接頭焊縫ANSYS模擬應力分布云圖

通過ANSYS軟件按照上述模式模擬8 mm和16 mm的上述三種接頭焊縫應力分布情況，得到不同厚度、不同焊接接頭應力集中系數(shù)，如表2所示。從表2中可以看到，隨著厚度增加，三種接頭焊縫的應力集中系數(shù)均增加。其中對接和橫向十字接頭的應力集中系數(shù)增加幅度有明顯的減少趨勢，而搭接接頭的卻屬于增大的。這與搭接接頭本身的結(jié)構(gòu)屬性有關，搭接適用于連接結(jié)構(gòu)，不適于傳力結(jié)構(gòu)。

表2　應力集中系數(shù)

3　結(jié)論

（1）4 mm、8mm和16mmA7N01S-T5鋁合金對接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭極限疲勞強度范圍分別為42.44～72.50MPa、32.41～42.75MPa和30.11～62.33MPa。隨著厚度增加，對接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭的極限疲勞強度值逐漸降低，但降低幅度逐漸減小。

（2）4 mm、8mm和16mm A7N01S-T5鋁合金對接接頭、橫向十字接頭和搭接接頭焊縫存在明顯的應力集中，三者應力集中系數(shù)范圍分別為1.06～1.27、1.10～1.35和5.23～6.50。隨著厚度增加，三者應力集中系數(shù)數(shù)值均增加。但對接接頭和十字接頭焊縫的應力集中系數(shù)增加幅度逐漸減少，而搭接接頭的應力集中系數(shù)繼續(xù)增大。

（3）對接接頭、十字接頭和搭接接頭疲勞裂紋萌生位置主要為焊趾和焊根，焊縫內(nèi)部的氣孔和應力集中是上述三者接頭疲勞失效的重要原因。8～16mm焊接接頭斷口形貌表明，接頭內(nèi)部氣孔缺陷是增加的。

參考文獻：

［1］Maddox SJ. Review of fatigue assessment procedures for welded aluminum structures［J］. International Journal of Fatigue，2003，25（12）: 1359-1378.

［2］T.Nykanen，G. Marquis，T. Bjork. Fatigue analysis of non-load-carrying fillet welded cruciform joints［J］. Engineering Fracture Mechanics，2007,74（3）：399-415.

［3］Balasubramanian，V.Ravisankar，G Madhusudhan Reddy. Effect of Pulsed current welding on fatigue behavior of high strength aluminum alloy joints［J］. Materials and Design，2008，29（2）：492-500.

［4］拉伊達.焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度［M］.鄭朝云，張式程譯.北京：機械工業(yè)出版社，1994：12-23.

［5］Shimizu K，Torh T，Ma Y. Crack opening sliding morphology and stress intensity factor of slant fatigue crack［J］. Key Engineering Materials，2005（297-300）：697-702.

［6］李晉永.工程結(jié)構(gòu)材料焊接接頭疲勞性能的對比研究［D］.太原理工大學，2008：31-40.

［7］何如.高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能研究［D］.北京交通大學，2008：19-33.

［8］張紅霞，吳廣賀，閆志峰，裴飛飛，等. 5A06鋁合金及其焊接接頭的疲勞斷裂行為［J］.中國有色金屬學報，2013，23（2）：327-335.

［9］郝剛，周弋琳，張明月，劉金博.車體用鋁合金焊接接頭疲勞性能試驗研究［J］.機車車輛工藝，2013（6）：25-26.

［10］鄧銳，李明，曾要爭.焊縫余高對A7N01P-T4鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響［J］.電力機車與城軌車輛，2013，36（6）：52-54.

［11］樊云杰，吉華，茍國慶.不同處理工藝對A7N01S-T5鋁合金焊接接頭殘余應力的影響［J］.電焊機，2014，44（1）：73-76.

［12］夏寧，金文濤，杜剛，等.不同MIG焊方法對7N01-T4鋁合金焊接接頭力學性能的影響［J］.電焊機，2014，44（2）：74-77.

［13］吳靜遠，張炯，徐濟進，等. A7N01P鋁合金你T型接頭焊接數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2014，43（21）：199-202.

［14］汪認，方喜鳳，邱培現(xiàn). A7N01鋁合金激光-MIG符合焊接工況適應性研究［J］.電焊機，2014，44（12）：149-152.

［15］林慶琳.高速列車用A7N01鋁合金焊接接頭疲勞性能的研究［D］.青島：青島科技大學，2011.

［16］孟憲偉，周成候，戴忠晨，等. A5083P-O鋁合金MIG焊接接頭組織及疲勞性能研究［J］.電焊機，2014，44（9）：144-147.

［17］劉建，汪認，劉擁軍，等.國產(chǎn)6N01鋁合金型材典型位置焊接接頭性能［J］.電焊機，2014，44（3）：74-77.

［18］李敬勇，李標峰，馮剛憲.焊縫幾何特征對5A30鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響［J］.中國有色金屬學報，2004，14（11）：1895-1890.

［19］丁波，楊尚磊，白建穎，等.高速列車用高強鋁合金疲勞斷口的特征［J］.上海工程技術(shù)大學學報，2014，28（1）：1-5.

作者簡介：胡冬生（1985-），男，碩士，從事動車組焊接工藝工作；何順鵬（1992-），男，碩士在讀。