多次補焊對A6N01鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

田志騫，陳東方，馬國龍

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001）

多次補焊對A6N01鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

田志騫1，陳東方1，馬國龍2

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001）

通過對多次補焊條件下A6N01鋁合金焊接接頭進行疲勞試驗，獲得了不同補焊條件下焊接接頭的條件疲勞極限值以及不同區域的裂紋擴展速率，并分析其疲勞斷口形貌。結果表明，隨著補焊次數增加，接頭疲勞極限值減小，三次補焊后其由98.8 MPa下降到89.7 MPa，仍然滿足使用要求；焊縫區和熱影響區裂紋擴展速率均增大，但熱影響區抵抗裂紋疲勞擴展能力優于焊縫區。隨補焊次數增加，焊縫區氣孔缺陷增多以及熱影響區過時效現象加劇是造成焊接接頭疲勞性能下降的主要原因。

鋁合金；補焊；焊接接頭；疲勞性能

0　前言

A6N01鋁合金因具有機械強度高、耐腐蝕性能好、焊接性好和易于成型等優點廣泛應用于高速列車車體等關鍵零件的制造[1]。熔化極惰性氣體保護焊MIG（Metal Inert Gas）是目前高速列車鋁合金車體制造中應用最為廣泛的焊接方法[2]。受鋁合金材料物理性質的影響，如易氧化、比熱容和熱導率大、熱膨脹系數高等，焊接過程中常出現氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，造成接頭力學性能的下降。補焊成為改善接頭性能、降低成本的重要手段。在高速列車運行過程中，鋁合金焊接接頭的失效多是由于受重復性載荷引起的疲勞破壞[3]。因此，對鋁合金焊接接頭的疲勞性能的研究受到普遍關注；多次補焊條件下焊接接頭的疲勞性能尤為重要[4]。本研究系統分析了多次補焊條件下A6N01鋁合金焊接接頭疲勞極限以及不同焊縫區域的裂紋擴展速率，以確定多次補焊對接頭疲勞性能的影響規律。

1　試驗材料和方法

試驗材料為A6N01S-T5板材，試件尺寸1 000mm× 200mm×8mm，焊絲選用法國SAF公司的ER5356WY，其化學成分如表1所示。

表1　母材及焊絲化學成分％

試驗采用MIG焊焊接母材，保護氣體為高純氬氣（純度≥99.999％），保護氣流量25L/min，坡口形式如圖1所示。焊前對母材進行去油和除氧化膜處理以保證焊縫質量。為防止焊接變形，在剛性約束條件下進行焊接，焊接工藝參數為：焊接電壓24V，焊接電流235A，焊接速度8.3mm/s。

圖1　焊接接頭坡口形式

焊接及補焊過程如圖2所示。具體順序如下：

圖2　焊接及補焊過程示意

（1）根據預定的焊接參數進行初始接頭的焊接：首先焊接焊道A，然后清根，再封底焊接焊道B。

（2）切除焊縫堆高，加工成如圖2b所示的補焊坡口，按如圖2c所示完成第一次補焊。

（3）重復步驟（2），完成第二次、第三次補焊。

焊縫疲勞性能測試根據JISZ3103-1987《熔化焊焊接接頭的反復拉伸疲勞試驗方法》進行取樣和試驗，具體疲勞試驗試樣尺寸如圖3所示。高頻疲勞試驗在室溫下進行，波形為正弦波，應力循環比為0。設定循環應力加載次數為時仍未起裂的應力值為條件疲勞極限值。在掃描電子顯微鏡（型號為HITACHI S-3400N）下觀察疲勞斷口。焊縫疲勞裂紋擴展速率試驗根據GB9447-1988《焊接接頭疲勞裂紋擴展速率試驗方法》進行取樣和試驗，測試采用臺階型缺口緊湊拉伸（CT）試樣在室溫下進行，采用頻率為5 Hz的正弦波額定載荷加載；根據焊縫橫截面，分別選取焊縫中心、熱影響區中心位置加工成所需試樣。

圖3　疲勞試件尺寸

2　試驗結果與討論

2.1焊接接頭疲勞極限

根據疲勞試驗結果，繪制不同循環載荷作用下應力范圍Δσ與疲勞循環壽命N關系的S-N曲線，并將試驗數據進行擬合，獲得條件疲勞極限值，擬合結果如圖4所示。一次焊接、一次補焊、二次補焊、三次補焊疲勞曲線擬合公式為

根據擬合曲線可獲得，一次焊接時焊縫的疲勞極限為98.8 MPa，一次補焊后疲勞極限為93.6 MPa，二次補焊后疲勞極限為91.0 MPa，三次補焊后疲勞極限為89.7 MPa。結果表明，隨著補焊次數的增加，6N01鋁合金的疲勞極限值逐漸降低；三次補焊后疲勞極限值相比一次焊接下降了9.2％，但仍然滿足規范要求的疲勞極限值（89 MPa）。

圖4　焊接接頭S-N曲線

2.2疲勞斷口形貌分析

一次焊接焊縫在疲勞裂紋源區、穩定擴展區和瞬斷區的斷口形貌如圖5所示。疲勞試驗表明，一次焊接、三次補焊接頭均在焊縫位置斷裂。從疲勞裂紋源區的斷口形貌可以發現，疲勞裂紋起裂于焊縫表面的氣孔、夾雜等處，隨著循環載荷的作用，裂紋呈放射狀（見圖5a）向焊縫內部擴展。穩定擴展區斷口表面比較平坦、缺陷較少，可以明顯觀察到疲勞輝紋，并且輝紋的方向垂直于放射性條紋擴展的方向。隨著裂紋的擴展，試樣的承載面積逐漸減小，承受的應力逐漸增大，發生瞬間斷裂，其斷口由韌窩結構構成，呈現出明顯的韌性斷裂特征。三次補焊焊縫的斷口形貌如圖6所示，其疲勞裂紋源區以及穩定擴展區的斷口形貌與一次焊接斷口基本一致。但是裂紋源區氣孔數量增多。圖6c為瞬斷區的斷口形貌，相比于一次焊接，由于第二相粒子脫落導致的大韌窩數量明顯較少。

圖5　一次焊接焊縫疲勞斷口形貌

2.3焊接接頭不同區域裂紋擴展速率

分別測試一次焊接和不同補焊次數焊接接頭的焊縫區和熱影響區的裂紋擴展速率，根據Paris公式，繪制了表示應力強度因子與裂紋擴展長度關系的da/dN-ΔK曲線，并對曲線進行線性擬合，如圖7所示。對焊縫區（見圖7a），一次焊接裂紋擴展速率最小，疲勞性能最好；補焊后疲勞裂紋擴展速率增大，使焊接接頭疲勞剩余壽命下降疲勞性能明顯下降，三次補焊后，接頭焊縫區甚至會過早失效。對熱影響區（見圖7b），一次焊接接頭熱影響區裂紋擴展速率最小，一次補焊對其影響較小，二次補焊后裂紋擴展速率降低，三次補焊后疲勞性能略有提高。

隨著補焊次數的增加，焊接接頭的裂紋擴展速率逐漸增大，疲勞性能下降。相比于焊縫區，熱影響區裂紋擴展速率較低，疲勞性能優于焊縫區，因此焊縫區成為整個接頭疲勞性能的薄弱部分，這也解釋了疲勞試驗接頭均斷裂于焊縫區的原因。

2.4補焊對焊接接頭疲勞性能影響機理分析

隨著補焊次數的增加，焊接接頭的疲勞性能逐漸下降，這主要與焊縫微觀組織和焊縫缺陷數量相關。

A6N01鋁合金型材的熱處理狀態為T5，母材基本為再結晶組織，是由ɑ-Al基體以及彌散分布的Mg2Si第二相粒子組成。焊縫區為細小等軸晶區域，由于冷卻速度較快，其中的Mg2Si第二相很少析出，固溶于基體中[5]。在遠離焊縫的熱影響區，其溫度會超過原有的時效處理溫度，從而出現過時效現象，Mg2Si第二相粒子會發生聚集長大。焊縫中的主要缺陷為氣孔，若存在于焊縫表面則容易成為裂紋源。

圖6　三次補焊焊縫疲勞斷口形貌

圖7　A6N01鋁合金焊接接頭的疲勞裂紋擴展速率

對焊縫區，隨著補焊次數的增加，焊接熔池中存在的缺陷增多，為氣泡的形成提供了條件，增加焊縫中氣孔，裂紋源更容易存在[6]。另一方面，隨著補焊次數的增加，焊縫中殘余應力拉應力增加，在應力幅不變的情況下，殘余拉應力的存在提高了平均應力水平，也會促進裂紋擴展。因此，隨著補焊次數的增加，焊縫區疲勞性能降低。

對于熱影響區，隨著補焊次數的增加，由于鋁合金熱導率較高，在不斷受到熱循環的影響下，過時效的程度加強，范圍也逐漸擴大；而第二相粒子對疲勞裂紋的擴展具有重要影響。Mg2Si的彈性模量、屈服強度等性能均優于基體，當裂紋尖端應力集中高于基體屈服強度時即會產生塑性變形，形成塑性區基體更容易產生塑性變形，而第二相粒子可以有效抵制裂紋的擴展[7]。另一方面，裂紋尖端擴展到第二相粒子時，裂紋尖端微小的塑性變形區不對稱，疲勞裂紋會偏向屈服強度低的基體一側繼續擴展，使疲勞擴展路徑發生偏轉，有效裂紋擴展驅動力減小，降低疲勞裂紋擴展速率，提高抗疲勞裂紋擴展能力。而隨著補焊次數的增加，熱影響區中Mg2Si粒子的數量聚集長大，數量減少，其抵抗裂紋擴展的幾率減小，從而造成熱影響區疲勞性能降低。

3　結論

（1）隨著補焊次數的增加，A6N01鋁合金MIG焊接接頭疲勞極限值逐漸降低；三次補焊后疲勞極限值相比一次焊接下降9.2％，但仍能滿足使用要求。

（2）對接頭斷裂位置及斷口形貌分析表明，焊縫是接頭疲勞性能的薄弱部分，焊縫表面的氣孔缺陷是發生疲勞斷裂的主要原因。

（3）隨著補焊次數的增加，焊縫區和熱影響區的裂紋擴展速率均增大，抵抗裂紋擴展的能力下降。分析表明，焊縫區缺陷增多以及熱影響區過時效現象加劇是造成裂紋擴展速率增大的主要原因。

[1]劉靜安.日本大斷面鋁合金擠壓型材生產技術[J].鋁加工，1995，18（5）：17-22.

[2]Yonetani H.Laser-MIG hybrid welding to aluminium alloy carbody shell forrailwayvehicles[J].Welding International，2008，22（10）：701-704.

[3]李敬勇，馬建民.焊接工藝方法對6061-T6鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J].航空材料學報，2004，24（2）：52-53.

[4]付寧寧，夏寧，周成侯，等.多次補焊對6061-T6鋁合金T型接頭疲勞性能的影響[J].熱加工工藝，2014，43（21）：208-210.

[5]彭建，周綢，張丁非.高速列車用6N01鋁合金焊接接頭的組織與性能[J].金屬熱處理藝，2010，35（11）：33-36.

[6]于金朋，張立民，張衛華，等.多次焊補對高速列車鋁合金焊接接頭的影響[J].焊接學報，2012，33（11）：77-82.

[7]閆德俊，劉雪松，方洪淵，等.高速列車用高強鋁合金焊接接頭疲勞裂紋的擴展特性[J].中國有色金屬學報，2012，22（12）：3313-3319.

Influence of multiple repair welding on fatigue properties of A6N01 aluminium alloy

TIAN Zhiqian1，CHEN Dongfang1，MA Guolong2
（1.CSR QingdaoSifangCo.Ltd.，Qingdao266111，China；2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The fatigue tests of A6N01 MIG welding joints with multiple repair welding were conducted in this paper.The fatigue limits and fatigue crack propagation rate were obtained，and the morphology of fatigue fracture was also studied.The results show that the value of fatigue limit decreases with increasing repair welding times；after three times repair welding，the value decreased from 98.8 MPa to 89.7 Mpa，which still can satisfy the use requirement.The fatigue crack propagation rates in weld zones and HAZ zones both increase，but the resistance against crack propagation of HAZ zone is superior to that of weld zones.The reason that multiple repair welding can deteriorate the fatigue properties is mainly attributed to the increase of porosity defect in weld zone and overaging in HAZ zone.

aluminium alloy；repair welding；welding joints；fatigue properties

TG457.14

A

1001－2303（2015）11－0102-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.21

2015-10-13

田志騫（1985—），男，山東青島人，工程師，學士，主要從事鋁合金焊接技術方面的工程和研究工作。