铝合金焊接接头疲劳性能研究

铝合金焊接接头疲劳性能研究

发表时间：2019-08-07T10:24:10.000Z 来源：《基层建设》2019年第11期作者：张禧铭徐浩翔[导读] 摘要：测定了6061铝合金焊接件焊接接头的疲劳性能，介绍了铝合金焊接件焊接接头的疲劳特征，分析了铝合金焊接件焊接接头中缺陷对其疲劳性能的影响。

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛 266000 摘要：测定了6061铝合金焊接件焊接接头的疲劳性能，介绍了铝合金焊接件焊接接头的疲劳特征，分析了铝合金焊接件焊接接头中缺陷对其疲劳性能的影响。结果表明铝合金焊接件焊接接口处气孔、夹杂物及未焊透三个焊接缺陷均会零件的应力集中创造条件，对铝合金焊接件焊接接头疲劳性能有重大影响。气孔的大小、数量，未焊透的分布位置及形式明显地影响铝合金焊接件焊接接头的疲劳性能

0.引言

铝合金由于其质量轻、强度高、无磁性、耐腐蚀性好，广泛应用于汽车、铁路、航空航天等领域。焊接是铝合金零件最常见的连接方式，在铝合金焊接零件在重复外力作用下会发生疲劳断裂，而疲劳破坏过程又这些问题往往会给用户造成不可估量的巨大损失[1]。通过研究发现，铝合金焊件焊接接头发生疲劳破坏是铝合金焊接断裂的主要原因，因此对铝合金焊接件进行全面分析，找出原因并提出解决方案，提高铝合金焊接件有着重大意义[2，3]。近些年过高校和科研院所对铝合金焊接件焊接接口做了大量研究工作，并取得了重大成果。周进等人通过对5A02 铝合金焊接接头的疲劳性能进行分析，得出了补焊可以降低铝合金焊接件焊接接口的疲劳强度（下降将近20%），可作为一种可靠的补救措施[4]。王德俊通过对铝合金焊接接头焊缝几何特征的研究，得出了十字接头焊接方式比对接接头焊接方式应力集中更严重的结论[5]。本文以6061铝合金为研究对象，分析焊接缺陷铝合金焊接件疲劳性能的研究。

1.试验材料及试验方法

本试验需要的材料为铝合金和焊丝，其中铝合金选用6061铝板，焊丝选用5356焊丝，铝板采用对接焊接。这两种材料的化学成分如表1所示。

试验材料化学成分/%

将铝板通过焊丝分别用MIG焊和TIG焊两种方法进行焊接，不仅仅能够保证铝合金焊接件内部化学成分的完整性，而且也可以提高铝合金焊接件的焊接质量。

在进行全部焊接之后还需要采用合理的方法对焊接物进行验伤处理，找出其中存在的问题，并对出现问题的原因进行全面分析。焊后进行X射线探伤检验，找出存在的问题并找到原因及时解决，将样品进行铣削加工，去除焊缝余高。为获得样品真实状态，将样品铣削加工后再进行X射线探伤检测。在MTS万能试验机上进行疲劳试验，用JSM-35C显微镜对断口形状进行合理观察。

2.试验结果及分析

2.1疲劳试验

试验结果如表2所示，对试验结果进行整理、对比，可以发现无论6061铝合金焊接件的焊缝有无缺陷，发生疲劳破坏的均为焊接口。但是整个焊接过程是否存在缺陷对存在的疲劳现象和相应寿命还有很重要的作用。但焊缝有无缺陷对其寿命有明显影响，即有焊缝缺陷的样品其寿命明显低于无焊缝缺陷的样品，并且随着缺陷尺寸的增大，疲劳寿命下降越多。 6061铝合金焊接接头疲劳性能

2.2疲劳断口特征

按照焊接接头的断裂过程疲劳断口一般分为裂纹源、疲劳裂纹扩展和最后断裂3个区域。样品疲劳开裂源自样品表面，通过样品疲劳裂纹源处可发现该焊接样品件存在未焊透、夹杂物表面机械划伤、表面气孔以及显微疏松等缺陷，这些缺陷严重降低了铝合金焊接件焊接接头的疲劳寿命。所有样品的裂纹扩展区中行成的疲劳辉纹均匀而细密，断口疲劳区凸起部分被磨平或磨亮。裂纹持续扩展且速度越来越快，当剩余面积不承受施加的载荷时，样品发生瞬间断裂。

2.3焊接缺陷的影响

气孔、夹杂以及未焊透是铝合金焊接件焊接接头中的主要焊接缺陷。由于铝合金的焊缝余高会产生应力集中，当去除焊缝余高后，焊缝中出现的缺陷成为影响铝合金焊接件焊接接头疲劳性能的主要因素。

2.3.1气孔对疲劳性能的影响

铝合金的焊缝金属在凝固时，部分未来得及溢出的气体形成的球状孔穴即为气孔。这些孔穴的存在形式不一，通常以单个或密集分布存在，存在于整个焊缝或局部焊缝，为焊缝产生应力集中创造了条件。通过分析发现，铝合金焊接件焊接接头疲劳性能受焊缝气孔的种类、尺寸和位置等因素的影响。与无缺陷焊缝相比，当气孔直径小于0.5mm 时，其对焊接接头疲劳寿命影响不大；当气孔处于样品表面时，该因素成为铝合金焊接件焊接接头疲劳破坏的源头。铝合金焊接件保留焊缝余高时，当其缺陷只有达到一定尺寸时才会有效铝合金焊接件的寿命。铝合金焊接件去掉焊缝余高时，气孔成为其主要缺陷，当气孔处于焊缝表面且直接大于0.5mm时，在气孔处发生疲劳断裂。

2.3.2 夹杂对疲劳性能的影响

通过分析无缺陷样品与有缺陷样品（含有夹杂样品）的疲劳寿命可以发现，夹杂的存在严重降低铝合金焊接件焊接接头的疲劳性能。试样中存在的夹杂多为氧化物或金属化合物，铝合金焊缝中的夹杂物多呈疏松状存在。

2.3.3未焊透对疲劳性能的影响

未焊透是指在铝合金焊接件的对接焊缝中，焊缝金属没有到达接头的根部。铝合金焊接件未焊透分布位置不一（表面或焊缝中间），并且其方向、厚度、长度各不相同。单面焊的未焊透更容易产生应力集中，造成铝合金焊接件疲劳性能的降低。由于铝合金焊接件未焊透缺陷严重影响其疲劳寿命，因此有效控制铝合金焊接件焊缝中未焊透的存在及其尺寸，对于提高铝合金焊接件焊接接头的疲劳性能有着重要的影响。

3.结论

（1）气孔的宏观尺寸决定铝合金焊接件焊接接头的疲劳性能。当焊缝中气孔直径小于0.5mm时，对于铝合金焊接件的疲劳性能没有显著的影响，只有当焊缝中气孔处于焊缝表面且直接大于0.5mm时，才会对铝合金焊接件的疲劳性能有明显影响，并成为铝合金焊接件疲劳裂纹的源头。

（2）铝合金焊接件焊缝夹杂物严重降低其疲劳性能。

（3）铝合金焊接件焊缝未焊透缺陷的大小对其疲劳性能有很重要的影响。当铝合金焊缝未焊透尺寸较大时，会严重降低其疲劳寿命；而当铝合金焊缝未焊透尺寸较小时，对铝合金焊接件焊接接头疲劳性能的影响较小。

（4）铝合金焊接件焊接接口处气孔、夹杂物及未焊透三个焊接缺陷均会零件的应力集中创造条件。

参考文献：

[1]王志海，陈亮，张立民，等.车体结构铝合金焊接接头疲劳性能研究[J].电焊机，2013，43（8）：12-17.

[2] 马建民，李敬勇.焊接缺陷对铝合金焊接接头疲劳性能的影响[J].材料开发与应用，2003，18（6），32-34.

[3] 张举麟，李波涛，张华松，等．补焊对5A06 铝合金焊接接头力学性能的影响．机械工程材料，2017；41（8）：84—86.