載荷方向和焊縫余高對氬弧焊縫疲勞性能的影響

回 麗，劉思奇，周 松，王 磊，馬 闖，趙 強

(1 沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2 沈陽黎明航空發動機集團有限責任公司，沈陽 110043)

在航空制造領域，氬弧焊因成本低、操作靈活等優點而得到了廣泛的應用[1-3]。對于焊接結構，其主要失效形式就包含了由疲勞引起的失效。衡量焊接結構性能的一個重要指標就是疲勞性能，國內外學者對其進行了大量的研究[4-14]。邵輝成等[9]運用有限元分析方法研究了焊縫余高對焊接接頭疲勞性能的影響，結果表明，焊縫坡度和焊縫余高對結構疲勞性能都有影響，焊接接頭的疲勞壽命最佳時的焊縫坡度為65°，焊縫余高為0.4mm。趙尚超[10]對焊接接頭從結構、載荷方向、焊接殘余應力3個主要方面進行三維有限元數值分析，對典型接頭的疲勞強度主要影響因素及規律進行了相關研究，結果表明橫向承載時主要影響因素為結構應力集中，縱向承載時主要影響因素為焊接工藝。鄭志騰等[13]對鈦合金氬弧焊接接頭組織和疲勞性能做了相關研究，結果表明，焊縫的亞表面或者內部氣孔缺陷為裂紋的起始處，氣孔尺寸對疲勞壽命的影響在低應力水平下較為明顯。

當前，直焊為氬弧焊的主要形式，然而焊縫與所受載荷方向呈現一定的角度經常會在實際的使用過程中發生。另外，對焊接件疲勞性能產生不利影響的還有在焊縫與母材的過渡處引發應力集中的焊縫余高。本研究對TC2鈦合金氬弧焊接件進行疲勞實驗，其中包含了去除焊縫余高的直、斜焊縫試件及保留焊縫余高的直、斜焊縫試件，結合對氬弧焊縫的顯微組織觀察、掃描電鏡下的疲勞斷口分析，從宏、微觀角度對焊縫的疲勞性能進行對比測試與分析，為氬弧焊的實際應用提供依據。

1 實驗方法

對2mm厚的TC2退火態冷軋鈦合金板在已選定的工藝參數下進行氬弧拼焊制備試件。疲勞試件的長軸方向分別與焊接方向成90°和45°角，并將此定義為直焊和斜焊試件，焊接區中心與試件的幾何中心重合。圖1為疲勞試件焊縫分布及幾何尺寸示意圖。

圖1 疲勞試件形狀和尺寸(a),(b)氬弧直/斜焊縫;(c),(d)保留/去除焊縫余高Fig.1 Shape and dimension of fatigue specimens (a),(b)straight/oblique TIG weld seam;(c),(d)retaining/removing weld reinforcement

取氬弧直焊縫保留余高和去除余高及斜焊縫保留余高和去除余高4組試件各12個，在MTS810電液伺服疲勞試驗機進行疲勞實驗，其靜態拉向示值相對誤差為-0.15%，動態拉向示值相對誤差為0.74%，試驗機滿足相關標準的要求，實驗標準為GB2656-81《焊縫金屬和焊接接頭的疲勞實驗法》。實驗環境為：實驗室空氣，溫度為(20±5)℃，濕度小于50%；在等幅應力下進行實驗，最大載荷為421MPa，應力比為0.06，加載波形為正弦波，實驗頻率為10Hz。焊接試件的疲勞斷口采用SU3500掃描電鏡進行觀察。

2 實驗結果與討論

2.1 疲勞實驗結果與分析

試件疲勞壽命結果如表1所示。用小子樣數據估計母體參數，參照HB/Z 112-1986《材料疲勞試驗統計分析方法》對試驗數據進行處理，根據式(1)～(4)分別計算各組子樣的平均值、標準差s、子樣變異系數Cv和中值疲勞壽命N50，結果列在表1中。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:n為子樣的觀測個數;Ni和xi分別為每個子樣的疲勞壽命和對數疲勞壽命。

由表1可知，不同焊縫載荷方向和焊縫余高對TC2氬弧焊的疲勞性能影響顯著，對于同種焊接方向試件，直焊縫與斜焊縫保留余高試件的疲勞壽命分別是去除余高試件疲勞壽命的47.00%和73.10%；對于保留余高與去除余高試件，直焊縫試件的疲勞壽命分別是斜焊縫試件疲勞壽命的45.84%和71.30%。斜焊縫的焊縫較直焊縫傾斜45°，則焊縫長度大于同組直焊縫的長度，理論上同等條件下焊縫越長可能存在的缺陷越多，疲勞壽命越低，但在相同應力條件下，軸向力沿斜焊縫方向分解，垂直于焊縫方向上的應力為軸向力的分力，與直焊縫相比較小，如圖2所示。

表1 疲勞實驗結果Table 1 Fatigue experiment results

σ=F/s

(5)

F′=F·cosθ

(6)

S′=s/cosθ

(7)

σ′=F′/s′=σ·cos2θ

(8)

式(5)～(8)為焊縫理論應力大小的計算，式中：σ與σ′分別為直焊縫理論應力大小與斜焊縫理論應力大小；θ是與焊縫傾斜角互余的角度；F′為外載在焊縫截面法向分力；S是直焊縫的截面面積；S′是斜焊縫的截面面積。式(8)得出斜焊縫的理論應力始終小于直焊縫的理論應力。焊縫所受載荷的減小是斜焊縫試件疲勞壽命高于直焊縫試件的重要原因。對于保留余高的氬弧焊焊接件而言，焊縫和母材過渡處的應力集中現象嚴重[15],所以其疲勞壽命比去除余高試件低。

圖2 氬弧直、斜焊縫處應力分布示意圖Fig.2 Schematic of stress distribution of straight and oblique weld seam

2.2 疲勞斷口分析

圖3所示為氬弧焊縫試件宏觀疲勞斷口，氬弧直焊縫試件裂紋總體沿垂直于拉應力方向擴展，去除余高試件裂紋在焊縫內擴展直至斷裂,保留余高試件裂紋在焊趾處擴展至斷裂；對于斜焊縫試件，裂紋在焊縫處形成后，沿垂直于試件軸向方向穿過焊縫繼續在母材內擴展直至斷裂，且有明顯頸縮現象。

圖3 宏觀斷口形貌 1-直焊縫;2-斜焊縫 (a)去除焊高焊縫;(b)保留焊高焊縫Fig.3 Macroscopic fracture appearance 1-straight seam;2-oblique seam (a)removing weld reinforcement seam;(b)retaining weld reinforcement seam

圖4為焊縫宏觀斷口相對應的微觀疲勞斷裂位置，對于氬弧焊焊接件，疲勞源大多位于焊接區域氣孔或夾雜等焊接缺陷處[16]，所以裂紋在去除焊縫余高試件的焊縫內產生并導致最終斷裂，如圖4(a-1),(a-2)所示；對于保留焊縫余高試件，焊趾處的應力集中現象明顯，裂紋一般在焊趾處形成，如圖4(b-1),(b-2)所示。

圖4 微觀斷裂位置 1-直焊縫;2-斜焊縫 (a)去除焊高焊縫;(b)保留焊高焊縫Fig.4 Microcosmic fatigue fracture location 1-straight seam;2-oblique seam (a)removing weld reinforcement seam;(b)retaining weld reinforcement seam

用SU3500型掃描電鏡觀察焊接試件的疲勞斷口微觀形貌，進一步了解疲勞斷裂的原因。疲勞斷口可以分成3部分：疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和疲勞瞬斷區[17]。圖5為試件疲勞源區域的斷口形貌圖，圖5(a),(b)分別為保留、去除焊縫余高試件的斷口形貌。由圖5可知，因為焊趾處存在應力集中，保留焊縫余高試件的疲勞裂紋起源于焊趾處；去除焊縫余高試件的裂紋于氣孔缺陷處起源，并以氣孔為中心呈散射狀向四周擴展，疲勞源周圍有大量散射狀條紋。

圖5 疲勞源斷口形貌 (a)保留焊縫余高;(b)去除焊縫余高Fig.5 Fracture appearance of initiation sites (a)retaining weld reinforcement;(b)removing weld reinforcement

圖6為典型的氬弧直、斜焊試件疲勞裂紋擴展區斷口形貌。在擴展的初期直、斜焊試樣裂紋均在焊縫內擴展，由于擴展受阻，擴展速率慢。在裂紋擴展區有明顯的疲勞條帶，條帶間距小且伴有二次裂紋產生，如圖6(a-1),(b-1)所示。隨著裂紋擴展的深入，擴展速率加快，直焊縫試件的裂紋擴展區總體起伏較大，如圖6(a-2)所示；對于斜焊縫試件的裂紋擴展后期，裂紋穿過焊縫進入母材，整體形貌相對平坦，這是韌性材料典型疲勞裂紋擴展特征。由于斜焊縫試件所受應力小于對應直焊縫試件所受的應力，且母材的韌性較好，斜焊試件在母材區的裂紋擴展速率相對焊縫區小，因此在擴展初期和后期，斜焊縫試件疲勞條帶間距都比直焊縫試件小，斜焊試件的疲勞壽命相對于直焊試件得到了顯著的提高，這與表1中實驗結果一致。

隨著循環次數的增加，當擴展區面積的強度不足以承受外加循環載荷時，試樣發生瞬斷。疲勞瞬斷區的微觀斷口均具有等軸韌窩斷裂特征，對于直焊試件，韌窩少而淺，如圖7(a)所示；氬弧斜焊試件在母材瞬斷，出現大量微孔聚集型的韌窩，數量多且密度大，表現出更好的韌性斷裂特征，如圖7(b)所示。

圖7 試件疲勞瞬斷區斷口形貌 (a)氬弧直焊；(b)氬弧斜焊Fig.7 Fracture morphology of fatigue rupture regions (a)straight TIG welding；(b)oblique TIG welding

3 結論

(1)對于同種焊接方向的TC2氬弧焊，直焊縫與斜焊縫保留余高試件的疲勞壽命分別是去除余高試件疲勞壽命的47.00%和73.10%；對于保留余高與去除余高試件，直焊縫試件的疲勞壽命分別是斜焊縫試件疲勞壽命的45.84%和71.30%。

(2)去焊縫余高試件于氣孔缺陷處萌生裂紋，保留焊縫余高試件疲勞裂紋起源于焊趾。裂紋擴展初期試件裂紋均在焊縫內擴展，有明顯的疲勞條帶，擴展后期，斜焊試件裂紋穿過焊縫進入母材，存在典型的韌性疲勞條帶。氬弧直焊試件疲勞瞬斷區韌窩少而淺，斜焊試件在母材瞬斷，韌窩多且密。

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