鋁鎂合金MIG焊接頭低周疲勞壽命預測

劉宇瀟，閆文青，陳旭，劉毅

武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室 湖北武漢 430081

1 序言

隨著海洋船舶的輕量化和高速化發展，鋁合金越來越多地取代鋼材。由于船舶在海洋運輸過程中常遇到海浪、風暴等的往復拍擊[1]，因此要求船體結構具有優良的疲勞性能，尤其是了解焊接接頭的低周疲勞壽命對船舶的安全服役具有重要意義。有報道表明，5083鋁鎂合金焊接熱影響區的軟化降低了焊接結構在惡劣疲勞載荷下的使用壽命[2]。為了使船只能夠面對復雜的服役環境，需要提高焊接接頭的強度。

到目前為止，電弧焊仍然是海洋級鋁合金結構焊接常用的方法，但是由于鋁合金具有高熱導率，高溫下氫溶解度大，電弧焊過程中焊縫中易產生凝固收縮、氣孔等缺陷，焊接接頭經受疲勞載荷時，裂紋常在有缺陷的地方萌生和擴展[3]，因此分析電弧焊焊接接頭的疲勞壽命非常必要。本文對比了不同焊絲條件下鋁鎂合金MIG焊接頭的低周疲勞壽命，并建立了預測精度較高的低周疲勞壽命關系式，對高鎂鋁合金焊接結構在經受大應變低周疲勞循環條件下的服役具有理論指導意義。

2 試驗材料和步驟

焊接母材為A l-6.2 M g鋁鎂合金，抗拉強度3 6 5 M P a，屈服強度2 7 8 M P a，試板尺寸為450mm×300mm×8mm。焊絲采用進口焊絲和自制焊絲，進口焊絲牌號為GOST7871-75（俄羅斯），記作S1；自制焊絲在進口焊絲成分基礎上添加了質量分數為0.15%Ti和0.3%Er元素，分別記作S2和S3。焊絲直徑為1.2mm，母材和焊絲的化學成分見表1。焊機型號為Fronius VR4000，采用脈沖焊，雙V形坡口，試驗用焊接參數見表2。

表1 母材和焊絲的化學成分（質量分數） （%）

表2 試驗用焊接參數

焊后沿著垂直于焊縫方向切取疲勞試樣，試樣的工作直徑為4.0m m。低周疲勞試驗在液壓伺服810M T S試驗機上進行，應變引伸計型號為M T S634.12F-24。控制應變比為0.1，應變率為4×10-3s-1，采用正玄波加載直到試樣斷裂，測試期間用計算機采集試驗數據。

3 試驗結果與討論

3.1 試驗結果

S1、S2和S3焊接接頭的低周疲勞試驗結果見表3。Δεt/2為應變幅，Δεe/2為彈性應變幅，Δεp/2為塑性應變幅，σmax、σmin、σm分別為循環穩定狀態下的最大應力值、最小應力值及平均應力值。

表3 低周疲勞試驗結果

3組焊接接頭低周疲勞壽命（Nf）與外加總應變幅（Δεt）之間的關系曲線如圖1所示。從圖1中可看出，焊接接頭的低周疲勞壽命隨總應變幅的增加而降低；而在相同的總應變幅下，低周疲勞壽命大小順序為：Nf（S2）>Nf（S3）>Nf（S1），這說明使用Ti、Er微合金化焊絲可以提高Al-6.2Mg鋁鎂合金焊接接頭的低周疲勞壽命。

圖1 焊接接頭低周疲勞壽命與應變幅關系曲線

3.2 低周疲勞壽命模型分析及壽命預測

在低周疲勞加載條件下，彈性應變幅與塑性應變和疲勞壽命的關系符合Coffin-Manson公式[4]，即

b——疲勞強度指數；

2Nf——在載荷反向次數；

E——楊氏模量（GPa）；

c——疲勞延性指數。

材料的循環應力與應變的關系為

式中 Δσ——應力范圍（MPa）；

n'——循環應變硬化指數；

K'——循環強度系數（MPa）。根據表3中的試驗結果，通過數據擬合可得出焊接接頭對應的材料疲勞參數，見表4。考慮平均應力的影響，相關文獻提出了幾種疲勞壽命模型，如SWT模型[5]、能量疲勞壽命模型[6]、Morrow模型和修正能量疲勞模型[7]。這些模型的表達式見表5。

表4 樣品的材料疲勞參數

表5 平均應力條件的低周疲勞壽命模型[5-7]

為對比疲勞壽命模型的預測精度，以S1焊接接頭為例，使用4種模型進行擬合，得出模型關系式，見表6。將模型預測疲勞壽命值與試驗數值進行對比，R2為相關系數，是表明試驗數據與擬合參數之間的接近程度，R2越接近于1，說明公式的可信度越高。結果顯示，SWT模型與修正能量疲勞壽命模型的R2達到了0.9以上。幾種低周疲勞壽命模型的預測效果對比如圖2所示，其中Morrow模型有60%的數據點在1.5倍公差帶以內，能量疲勞壽命模型只有20%的數據點在1.5倍公差帶以內，Morrow模型有一點偏離2倍公差帶。SWT模型與修正能量疲勞壽命模型中有80%的數據點在1.5倍公差帶以內，且所有預測壽命值都處于2倍公差帶內，說明SWT模型與修正能量疲勞模型的預測效果優于Morrow模型和能量疲勞壽命模型。因此，可以使用SWT公式與修正能量疲勞壽命公式預測任意應變比下的疲勞壽命，只需要提供穩定平均應力的數據，就可以預測出給定應變幅下的疲勞壽命。

圖2 S1焊接接頭疲勞壽命計算結果與試驗結果對比

表6 S1焊接接頭低周疲勞壽命模型擬合關系式

根據SWT和修正能量疲勞壽命模型計算S2和S3焊接接頭的低周疲勞壽命預測關系式，計算結果見表7。由表7可知，SWT模型與修正能量疲勞壽命模型的R2都達到了0.9以上，可信度較高。SWT模型與修正能量疲勞壽命模型的預測值與試驗壽命對比如圖3所示。由圖3可知，S2使用兩種低周疲勞壽命模型的預測值都處于1.5倍公差帶內，S3也有80%的數據處于1.5倍公差帶內，兩種模型的預測值都在2倍公差帶內。結合圖2可得，SWT模型與修正能量疲勞壽命模型非常適用于Al-6.2Mg合金焊接接頭的低周疲勞壽命預測。

圖3 S2和S3樣品疲勞壽命計算結果與試驗結果對比

表7 S2和S3樣品疲勞壽命模型擬合關系式

現對3組焊接接頭進行其他應變比的壽命預測，由于平均應力的影響，現在將平均應力去除，使用相應的最優疲勞壽命模型，即SWT模型與修正的能量疲勞壽命模型，預測完全可逆循環（R=-1）條件下的低周疲勞壽命，外加應變幅為0.6%～2.2%，通過式（2）計算得出應力幅值，預測結果如圖4所示。預測結果表明，在Δεt≥0.6%時，低周疲勞壽命大小順序仍為：Nf（S2）>Nf（S3）>Nf（S1）。

圖4 SWT和修正能量疲勞壽命模型預測結果

4 結束語

1）試驗條件下，當應變比R=0.1時，給定應變幅下三組焊接接頭的低周疲勞壽命大小順序為：Nf（S2）>Nf（S3）>Nf（S1）。

2）理論計算表明，SWT和修正能量低周疲勞壽命模型的預測精度較高，相關系數R2>0.95，給出了計算3組焊接接頭低周疲勞壽命的關系式。