焊接環境溫度對鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

付寧寧，夏 寧，王 未，云中煌，王紅波，陳 輝

（1.南車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都 610031）

焊接環境溫度對鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

付寧寧1，夏 寧1，王 未1，云中煌1，王紅波1，陳 輝2

（1.南車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都 610031）

鋁合金焊接過程中，環境溫度因素對焊接質量的優劣起著不可低估的影響。對不同環境溫度條件下焊接的A5083鋁合金接頭進行疲勞性能試驗，結果顯示常溫與高溫環境下焊接的接頭疲勞極限幾乎一致，而低溫環境下焊接的接頭疲勞極限顯著提高；對焊接接頭進行無損檢測，對疲勞試件進行斷口分析顯示低溫環境下焊接接頭含有極少量的小氣孔而常溫與高溫環境下含有的氣孔數量較多、尺寸較大。焊接環境溫度通過影響氣孔的生成進而導致接頭疲勞極限的差異。

焊接環境溫度；疲勞性能；無損檢測；焊接氣孔

0 前言

近年來，隨著我國軌道交通車輛的迅速發展，對鋁合金的焊接性能提出了更高的要求。鋁合金車體生產過程中，焊接技術是使用最為廣泛的生產加工方式[1]。在焊接過程中，環境溫度因素對焊接質量起著不可低估的影響。不同的環境溫度對焊接接頭的氣孔量有影響，氣孔作為焊接過程中的主要的缺陷，對接頭的性能起著至關重要的作用。

本研究通過對不同環境溫度條件下焊接的A5083鋁合金進行X射線無損探傷、疲勞試驗研究其疲勞性能，對疲勞斷口進行微觀分析等，進而得出環境溫度對焊接接頭成型及性能的影響。

1 試驗驗材料和方法

試驗所用母材材料為A5083鋁合金板材，焊材為直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲，母材及焊絲的化學成分見表1。焊接過程在環境焊接實驗室中進行，溫度條件為-20℃、20℃、40℃，相對濕度50%，無風。采用PHOENIX 421 EXPERT forceArc MIG焊機，進行雙脈沖MIG焊接。

運用DXR250VX射線實時成像機和ERESCO 65 MF4射線探傷機對焊接接頭進行X射線無損檢測；用PLG-2100微機控制高頻疲勞試驗機進行軸向拉-拉脈動拉伸高頻疲勞試驗，應力比R（min/max）=0，重復次數為5×104～1×107次程度；采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞斷口形貌。

2 試驗結果和分析

2.1 X射線探傷結果和分析

X射線探傷結果顯示，在不同廣域環境溫度條件下，焊接接頭中氣孔數量不同，見圖1，-20℃時氣孔數量很少，20℃和40℃時氣孔數量相對較多。

焊接試驗過程是在密閉的環境實驗室內進行的，焊接時只調節溫度變化，各溫度條件下的相對濕度均為50%，且無風。當溫度達到0℃以下時，環境中的水分一部分被凝固成霜，運動不活躍，空氣中水蒸汽密度降低，電弧熱所能影響到的區域內水分有限，致使氫的來源減少，進而減少了焊縫中的氣孔[2]，另外，低溫條件下熔池凝固速度加快，不利于氣孔長大，所以形成尺寸相對較小的氣孔。

2.2 疲勞性能試驗及分析

2.2.1 -20℃焊接環境溫度下接頭的疲勞性能

焊接溫度為-20℃下接頭的疲勞性能S-N曲線如圖2所示，S-N曲線符合指數分布，此種接頭的疲勞極限為70MPa，疲勞斷口顯微形貌如圖3所示。

由圖3可見，疲勞斷口由疲勞源區、裂紋擴展區、瞬斷區三部分組成。在該試件中裂紋源位于表面，呈現幾何形態不規則的凹坑，這是由于表面缺陷造成的。表面缺陷使試樣在循環加載過程中形成了局部應力集中，對疲勞強度有較大的影響[3]。從圖3b中可以看到清楚的疲勞條帶以及二次裂紋，并且擴展區斷面十分光滑，整體上該區域呈現疲勞條紋花樣[4]。從圖3c可以看出該斷口中存在韌窩形貌，韌窩產生的原因是：材料經受外加循環載荷的作用時，產生了塑性變形，然后在金屬材料內部產生了微小的“空洞”，這些空洞在在外力的作用下，不斷地發生形核長大，最后聚集形成裂紋。從晶體學角度來分析，在常溫下，金屬內晶體的運動方式主要是滑移為主，滑移導致了金屬晶體發生形變。當滑移的數量達到了一定的數量的時候，滑移的晶面遇到了障礙，比如第二相粒子等，會使位錯不斷的增加，導致位錯累積，造成局部應力集中，從而使金屬晶體產生斷裂[5]。

整個疲勞斷口各區域內均未見明顯的焊接缺陷，如夾雜、氣孔等，原因是當焊接溫度處于冰點以下時，環境中的水分凝結成霜，降低了空氣中的水蒸氣密度，因此在焊接過程中減少了氫的來源，然而氫是鋁合金焊接接頭中產生氣孔的重要原因，隨著氫的減少，氣孔生成量自然變少。

2.2.2 20℃環境溫度下焊接接頭疲勞性能

環境溫度為20℃下焊接接頭的疲勞性能S-N曲線如圖4所示，S-N曲線符合指數分布，此種接頭的疲勞極限為52 MPa。疲勞斷口形貌如圖5所示。

由圖5可見，A5083鋁合金20℃焊接接頭試件的疲勞斷裂面上有明顯的疲勞輝紋，這是疲勞裂紋擴展時留下的，存在于裂紋穩定擴展區。瞬斷區斷口呈明顯的韌窩圖樣，表明A5083鋁合金20℃焊接接頭疲勞試件在斷裂瞬間發生了塑性變形。疲勞斷口的裂紋源區發現明顯的氣孔，呈彌散分布，大小不一。氣孔的存在一方面造成應力集中，另一方面造成截面積減小，降低最大承載力，從而引起疲勞強度的降低。

2.2.3 40℃環境溫度下焊接接頭疲勞性能

環境溫度為40℃下焊接接頭疲勞S-N曲線如圖6所示，疲勞極限為52 MPa，疲勞斷口形貌如圖7所示，判斷疲勞源為彌散分布的氣孔，氣孔降低了接頭的疲勞性能。

氣孔一直是鋁合金焊接過程中不可避免的焊接缺陷，電弧氣氛中的氫是產生氣孔的重要原因。在環境溫度為20℃、40℃，相對濕度為50%的條件下焊接時，水蒸氣密度比-20℃時高，在電弧的高溫作用下，熔池上方的氫分壓比在-20℃焊接時增大，氫在鋁合金中的溶解度在凝固點時可從0.69mL/ 100 g突變到0.036 mL/100 g，相差20倍，增大了氣孔形成的概率[6]。

3 結論

（1）焊接溫度在冰點以下時，焊縫中氣孔很少且尺寸微小，常溫與高溫下焊接的焊縫中含有數量較多、尺寸較大的氣孔。

（2）焊接時環境溫度為20℃和40℃時A5083鋁合金焊接接頭的疲勞性能極其相近，疲勞源均為焊縫中彌散分布的氣孔；-20℃焊接所得接頭的疲勞極限有明顯提高，從55 MPa提升到75 MPa，疲勞源為試件表面缺陷。

（3）焊接溫度通過影響焊縫中氣孔的存在進而影響接頭的疲勞性能。

[1]劉靜安.鋁材在交通運輸業中的應用與開發前景[A].中國有色金屬工業信息中心2002年交通運輸用鋁市場暨技術研討會論文集[C].上海：上海科學技術文獻出版社，2002，46-71.

[2]周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機械工業出版社，2007：40-44.

[3] 張都清，李遠強.焊接缺欠對焊縫疲勞強度的影響[J].山東電力技術，1999（3）：44-46.

[4] 鐘群鵬，趙子華.斷口學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社，2009：12.

[6] 王明濤.LF2鋁合金焊接氣孔的控制[J].化工時刊，2003，17（5）：52-54.

Effect of welding under ambient temperature on welded joint fatigue performance of aluminum alloy

FU Ning-ning1，XIA Ning1，WANG Wei1，YUN Zhong-huang1，WANG Hong-bo1，CHEN Hui2
（1.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 266111，China；2.Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In the welding process of aluminum alloy，environment temperature plays a cannot be underestimated influence on the welding quality.Fatigue performance experiment was carried out on the aluminum alloy welded joint which welded under different environment temperatures，result shows that welded joint fatigue limit under normal and high temperature environment are almost unanimous，but under low temperature，the welded joint fatigue limit improved significantly；Nondestructive X-ray testing and fatigue fractures'microstructure investigating shows that welded joints under low temperature contain very small amount of small blow holes，while the others contain more and lager blow holes.Welding environment temperature leads to differences in joint fatigue limit by affecting the generation of blow holes.

welding environment temperature；fatigue performance；nondestructive testing；gas-pore

TG111

：A

：1001-2303（2014）02-0080-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.19

2013-10-21

鋁合金焊接接頭疲勞性能研究（KJ12-38C012）

付寧寧（1984—），男，山東濟寧人，碩士，主要從事軌道車輛車體焊接工藝工作。