李 剛，張海英，楊 俊，廖江海

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所三室，陜西 西安 710065)

1 引 言

鋁鎂合金是在鋁合金中添加一定的鎂元素，在提高材料硬度的同時(shí)還能有效提高其防腐蝕性能，又稱防銹鋁合金，各行業(yè)都有大量應(yīng)用[1，2]。其中，5A06鋁鎂合金以比強(qiáng)度高、抗疲勞、易成形、焊接性好等優(yōu)點(diǎn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。比如，5A06鋁鎂合金油箱代替鋼制油箱，可有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)的整體性能。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的鉚接、螺接等連接工藝，焊接連接的自動(dòng)化程度高、密封性好。因此，隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，工業(yè)界越來(lái)越關(guān)注5A06鋁鎂合金焊接技術(shù)及其接頭性能。

國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)鋁合金焊接的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：焊接方法的應(yīng)用、焊接接頭的組織和性能、焊接過(guò)程的數(shù)值仿真[3，4]等。劉紅偉[5]等研究了采用ER5356焊絲的5A06鋁合金TIG焊接接頭的組織和性能，得到的TIG焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為305MPa，為母材的88%；和FSW焊接相比，TIG焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度略低。王琪明[6]等用同質(zhì)焊絲對(duì)5A06合金進(jìn)行TIG焊接，所研制的焊絲兼具高抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，焊接接頭抗拉強(qiáng)度最高達(dá)341MPa，斷裂延伸率14.9%，較商用ER4043焊絲提高了32%和30.2%；2×106次循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)95%存活率的疲勞強(qiáng)度特征值最高達(dá)44MPa，高出推薦值37%。陳艷斌[7]等研究了激光和電弧焊接條件下不同的焊接參數(shù)對(duì)5A06焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，焊接橫截面的形狀對(duì)其拉伸強(qiáng)度有較大影響，其中，“X”形焊接接頭比其他的焊接接頭拉伸強(qiáng)度更高，為母材強(qiáng)度的91%。曾濤[8]等對(duì)5A06鋁合金進(jìn)行活性TIG焊接，試驗(yàn)結(jié)果表明，活性TIG焊接接頭的拉伸強(qiáng)度和顯微硬度與常規(guī)TIG焊接相比均有一定的提高。高珊[9]等對(duì)5A06的TIG焊接接頭進(jìn)行了深冷處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理的焊接接頭焊縫區(qū)的晶粒得到細(xì)化，組織更加致密，接頭強(qiáng)度提高，力學(xué)性能得到改善。Lv[10]等研究了不同填充物對(duì)5A06和Ti6AL4V合金TIG焊接性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用AL-Cu-Zr填料的焊接要比采用純鋁填料的強(qiáng)度高。Li[11]等研究了預(yù)置填充粉的TIG焊接鋁合金和鍍鋅鋼的焊接接頭的性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，在焊接電流為16A的情況下，焊接接頭的平均拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到151MPa，其斷裂類型屬于韌性和脆性的混合模式。Zhang[12]等研究了TIG和MIG雙面電弧焊焊接的5A06和Ti6AL4V的接頭組織和強(qiáng)度，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了250MPa，對(duì)比單面電弧焊接，其強(qiáng)度有了明顯的提升。

鋁合金焊接結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中，可能受到拉伸、壓縮、剪切、彎曲或者扭轉(zhuǎn)等載荷。其中，拉伸和剪切是最常見(jiàn)的兩種受載情況。因此，本文以5A06鋁合金TIG焊接搭接接頭為對(duì)象，分別設(shè)計(jì)了拉伸和剪切試驗(yàn)件，通過(guò)試驗(yàn)獲取5A06鋁合金搭接接頭的拉伸和剪切力學(xué)性能，對(duì)比板材厚度對(duì)焊接性能的影響，并采用掃描電鏡對(duì)試驗(yàn)件斷口形貌進(jìn)行了分析，為5A06鋁鎂合金TIG焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析提供參考。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)件

焊接材料選取2mm、3mm和5mm厚的5A06鋁合金板材，材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

先用丙酮對(duì)板材進(jìn)行清洗，然后采用鎢極氬弧焊(TIG)工藝對(duì)其進(jìn)行搭接焊。試板在焊后進(jìn)行了去應(yīng)力熱處理。其中，拉伸試驗(yàn)件采用大板焊接，熱處理后將試板切割加工成所設(shè)計(jì)的試樣形式及尺寸。拉伸試驗(yàn)件和剪切試驗(yàn)件形式分別如圖1、圖2所示。試驗(yàn)件分組、尺寸及數(shù)量如表2所示，其中，分組編號(hào)的第一個(gè)數(shù)字，1表示拉伸，2表示剪切；第二和第三個(gè)數(shù)字是搭接板的厚度；第四個(gè)數(shù)字是試驗(yàn)件搭接區(qū)的寬度。

表2 試驗(yàn)件類別及尺寸

圖1 拉伸試驗(yàn)件形式

圖2 剪切試驗(yàn)件形式

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

力學(xué)性能試驗(yàn)在instron 8803液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在試驗(yàn)件兩端的夾持區(qū)墊與試驗(yàn)件同厚度的墊板，然后夾持在試驗(yàn)機(jī)夾頭中。沿試驗(yàn)件軸向施加拉伸載荷。試驗(yàn)情況如圖3所示。

試驗(yàn)參照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，以1.5mm/min的速率加載至試驗(yàn)件破壞。試驗(yàn)過(guò)程中同步記錄試驗(yàn)機(jī)夾頭位移、載荷、應(yīng)變，試驗(yàn)在室溫環(huán)境下完成。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 拉伸剪切性能試驗(yàn)結(jié)果

拉伸和剪切試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示?？梢钥闯觯诎鍖捪嗤那闆r下，5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均隨板厚增加而降低。在板厚相同的情況下，兩種板寬的5mm厚拉伸試驗(yàn)件強(qiáng)度相當(dāng)。對(duì)于2mm和3mm厚的試驗(yàn)件，20mm寬焊接接頭的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度略高。5A06鋁合金TIG焊搭接接頭拉伸強(qiáng)度最高達(dá)母材[13]的67%，剪切強(qiáng)度最高達(dá)母材的73.5%。

表3 5A06搭接接頭力學(xué)性能

續(xù)表

5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸和剪切后的典型斷裂試樣照片分別如圖4、圖5所示。從圖4和圖5可以看出，斷裂均發(fā)生在焊縫區(qū)域，且斷裂形式均垂直于應(yīng)力正向。

圖4 拉伸后的宏觀形貌

圖5 剪切后的宏觀形貌

3.2 試驗(yàn)斷口形貌狀態(tài)分析

為了對(duì)比5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的不同焊接方式所獲得的拉伸和剪切的斷口處形貌特征，用Tescan鎢燈絲掃描電子顯微鏡對(duì)每組的典型試驗(yàn)件共12件的斷口進(jìn)行了電鏡掃描。其中，典型拉伸試驗(yàn)件斷口形貌如圖6所示，典型剪切試驗(yàn)件斷口形貌如圖7所示。可以看出，兩種斷口都是微小韌窩微孔聚集型斷裂，宏觀上呈灰色纖維狀且具有顯著的塑性變形，微觀斷口是密集的韌窩，說(shuō)明焊接區(qū)具有良好的塑性。

圖6 拉伸斷口形貌

圖7 剪切斷口形貌

由兩種斷口形貌對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，拉伸斷口存在大量的韌窩，在韌窩中心一般會(huì)有起裂過(guò)程中析出的第二相質(zhì)點(diǎn)。剪切斷口也存在大量的韌窩，但是其韌窩的方向與力作用方向一致，為拉長(zhǎng)的斜韌窩。與拉伸斷口不同的地方在于除了斷口有韌窩，還摻有一些解理形式的小平面，其在本試驗(yàn)中具體表現(xiàn)為河流花樣，這些河流的源頭是裂紋的起始，流向是裂紋擴(kuò)展方向，但是其斷面略有起伏且不連續(xù)。剪切試驗(yàn)件斷口的韌窩相對(duì)較少且有解理形貌，這說(shuō)明剪切受載情況下塑性變形相對(duì)較小，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)獲得了5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸和剪切力學(xué)性能，對(duì)比了接頭性能隨接頭厚度和寬度的變化，結(jié)合微觀斷口形貌分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨著厚度增加明顯降低。

(2)除5mm厚拉伸試驗(yàn)件外，20mm寬試驗(yàn)件的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均略高于40mm寬試驗(yàn)件。

(3)拉伸和剪切試驗(yàn)件均斷裂于焊縫處。拉伸試驗(yàn)件斷口中呈現(xiàn)大量的韌窩，表明焊縫處有良好的韌性。由于剪切加載情況下試驗(yàn)件塑性變形小，剪切試驗(yàn)件斷口中存在韌窩和解理兩種混合形式的形貌。