張海陽 金 一 張 梅

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804; 2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

在汽車輕量化的發(fā)展形勢下，鋁制汽車構(gòu)件由于比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，在汽車工業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1]。雖然鋁合金的焊接有諸多難點(diǎn)，但由于其獨(dú)特的性能，研究者在不斷嘗試優(yōu)化焊接技術(shù)[2]。汽車行業(yè)主要采用焊接技術(shù)連接復(fù)雜構(gòu)件，接頭的疲勞性能決定構(gòu)件的使用壽命[3]。角接接頭是常用的焊接接頭之一，但目前國內(nèi)外鮮有對異種鋁合金角接接頭低周疲勞性能的研究報道。因此，本文對異種鋁合金角接接頭進(jìn)行低周疲勞特性的試驗(yàn)研究具有重要的工程意義。

冷金屬過渡焊(cold metal transition, CMT)是一種新型焊接技術(shù)，焊接過程中能將送絲與熔滴過程進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)控制，具有熱量輸入小、無起弧飛濺等優(yōu)點(diǎn)，在鋁鋼焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。Gungor等[5]采用CMT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了5083與6082異種鋁合金的焊接，相比其他焊接方式如氣體保護(hù)焊、攪拌摩擦焊等，CMT接頭的抗拉強(qiáng)度更高。本文選用6082- A356兩種常用的鋁合金。6082為擠壓熱處理鋁合金，其比強(qiáng)度高、成形性能好[6]；A356為傳統(tǒng)的鑄造鋁合金，其流動性好，常用于汽車、航空航天工業(yè)的復(fù)雜鑄件[7]。采用CMT技術(shù)將以上兩種經(jīng)T6處理的鋁合金進(jìn)行角接焊，再取樣進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，以獲得E-N曲線和低周疲勞壽命與應(yīng)變幅之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方法

將尺寸為5 mm×200 mm×200 mm的T6態(tài)6082鋁板和尺寸為15 mm×100 mm×150 mm的A356鋁板進(jìn)行冷金屬過渡(CMT)角接焊， CMT焊接參數(shù)： 焊接電流/電壓為265 A/19.5 V，焊接速度65 cm/min，送絲速度4.3 m/min，脈沖修正-0.2。

將焊后試樣線切割加工成厚3 mm的疲勞試樣，加工時確保焊縫處于疲勞試樣的中心，如圖1所示。根據(jù)GB/T 15248—2008[8]，采用軸向應(yīng)變控制，保持頻率1 Hz及應(yīng)變比R=-1恒定，三角波加載，在MTS- 6730型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上對試樣進(jìn)行應(yīng)變幅為0.25%～0.40%的低周疲勞試驗(yàn)。

圖1 角接接頭低周疲勞試樣

對焊后接頭進(jìn)行剖切，經(jīng)打磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液腐蝕，然后用焊接熔深分析儀檢測焊縫熔深。采用102.5 mm×20 mm非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在Zwick/Roell Z100試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。用MH- 3 型硬度計測定熔合線兩側(cè)的顯微硬度，試驗(yàn)力為250 g。

2 角接接頭組織和性能

2.1 宏觀形貌

角接接頭宏觀形貌見圖2。焊縫熔深為3.1 mm，滿足焊接工藝設(shè)定的熔深要求。

圖2 角接接頭宏觀形貌

2.2 微觀形貌

角接接頭微觀組織如圖3所示，焊縫可分為3個區(qū)域，分別是熱影響區(qū)、熔融區(qū)與焊縫。A356鋁合金側(cè)熔融區(qū)為共晶組織，熱影響區(qū)顯微組織與母材相似，均為α- Al基體。

圖3 角接接頭顯微組織

2.3 拉伸性能及顯微硬度

角接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭失效峰值載荷可達(dá)8.5 kN，斷后伸長率可達(dá)4%。焊接接頭試樣斷裂于焊址部位。

接頭的焊縫、 焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)及母材的硬度如圖4所示。其中熱影響區(qū)由于晶界液化硬度較低。

圖4 角接接頭的顯微硬度分布

試驗(yàn)結(jié)果表明：CMT焊接工藝得到的異種鋁合金角接接頭成形良好，缺陷較少，能滿足技術(shù)要求。

3 角接接頭低周疲勞特性

3.1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 6082- A356角接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)Coffin- Manson- Basquin公式(式(1)、式(2))，對表1中應(yīng)變疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。

(1)

(2)

式(1)與式(2)兩邊取對數(shù)，得到式(3)和式(4)。對式(3)、式(4)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5中擬合直線的斜率與截距，得到疲勞延性系數(shù)εf′、疲勞延性指數(shù)c、疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf′、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b。

(3)

(4)

在雙對數(shù)坐標(biāo)系中對塑性應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅與壽命反復(fù)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到的應(yīng)變疲勞參數(shù)如表2所示，總應(yīng)變幅與壽命反復(fù)數(shù)之間的關(guān)系如式(5)所示。

表2 6082- A356角接接頭的低周疲勞參數(shù)

(5)

圖和擬合直線

3.2 應(yīng)變- 疲勞曲線

將擬合得到的角接接頭應(yīng)變疲勞參數(shù)代入式(5)，得到應(yīng)變- 壽命關(guān)系的預(yù)測方程見式(6)，拉伸試驗(yàn)得到的彈性模量E=6.85×104MPa。繪制應(yīng)變- 壽命曲線如圖6所示，虛線和實(shí)線分別為彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅對壽命反復(fù)數(shù)的擬合直線，曲線為總應(yīng)變幅- 壽命反復(fù)數(shù)的預(yù)測曲線。從應(yīng)變- 壽命曲線可以看出，隨著應(yīng)變幅的增大，疲勞壽命呈冪級數(shù)降低，并且在循環(huán)加載初期由塑性應(yīng)變幅控制轉(zhuǎn)變?yōu)樵谘h(huán)后期由彈性應(yīng)變幅控制。

圖6 Δεt、Δεe、Δεp-(2Nf)擬合曲線

(6)

由應(yīng)變- 壽命曲線可見，根據(jù)Manson- Coffin- Basquin[10]方程擬合得到的曲線與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的置信度較高，可用來指導(dǎo)材料使用壽命設(shè)計。

3.3 應(yīng)變疲勞參數(shù)

將應(yīng)變- 壽命曲線擬合相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)列入表3中。

表3 6082- A356角接接頭疲勞應(yīng)變- 壽命曲線參數(shù)

4 結(jié)論

(1)6082擠壓鋁合金與A356鑄造鋁合金的CMT焊角接接頭的外觀良好,缺陷較少，焊縫熔深和力學(xué)性能等均滿足技術(shù)要求。

(2)根據(jù)Manson- Coffin- Basquin公式計算了角接接頭的疲勞特性參數(shù)：疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf′為425.4 MPa，疲勞強(qiáng)度指數(shù)b為-0.114；疲勞延性系數(shù)εf′為0.093，疲勞延性指數(shù)c為-0.707；循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)K′為303，循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′為0.072。

(3)建立了該焊縫材料的低周疲勞壽命預(yù)測公式，為：