焊接环境温度对铝合金焊接接头疲劳性能的影响

付宁宁，夏 宁，王 未，云中煌，王红波，陈 辉

（1.南车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都 610031）

焊接环境温度对铝合金焊接接头疲劳性能的影响

付宁宁1，夏 宁1，王 未1，云中煌1，王红波1，陈 辉2

（1.南车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都 610031）

铝合金焊接过程中，环境温度因素对焊接质量的优劣起着不可低估的影响。对不同环境温度条件下焊接的A5083铝合金接头进行疲劳性能试验，结果显示常温与高温环境下焊接的接头疲劳极限几乎一致，而低温环境下焊接的接头疲劳极限显著提高；对焊接接头进行无损检测，对疲劳试件进行断口分析显示低温环境下焊接接头含有极少量的小气孔而常温与高温环境下含有的气孔数量较多、尺寸较大。焊接环境温度通过影响气孔的生成进而导致接头疲劳极限的差异。

焊接环境温度；疲劳性能；无损检测；焊接气孔

0 前言

近年来，随着我国轨道交通车辆的迅速发展，对铝合金的焊接性能提出了更高的要求。铝合金车体生产过程中，焊接技术是使用最为广泛的生产加工方式[1]。在焊接过程中，环境温度因素对焊接质量起着不可低估的影响。不同的环境温度对焊接接头的气孔量有影响，气孔作为焊接过程中的主要的缺陷，对接头的性能起着至关重要的作用。

本研究通过对不同环境温度条件下焊接的A5083铝合金进行X射线无损探伤、疲劳试验研究其疲劳性能，对疲劳断口进行微观分析等，进而得出环境温度对焊接接头成型及性能的影响。

1 试验验材料和方法

试验所用母材材料为A5083铝合金板材，焊材为直径1.2 mm的ER5356铝合金焊丝，母材及焊丝的化学成分见表1。焊接过程在环境焊接实验室中进行，温度条件为-20℃、20℃、40℃，相对湿度50%，无风。采用PHOENIX 421 EXPERT forceArc MIG焊机，进行双脉冲MIG焊接。

运用DXR250VX射线实时成像机和ERESCO 65 MF4射线探伤机对焊接接头进行X射线无损检测；用PLG-2100微机控制高频疲劳试验机进行轴向拉-拉脉动拉伸高频疲劳试验，应力比R（min/max）=0，重复次数为5×104～1×107次程度；采用JSM-6490LV型扫描电子显微镜（SEM）观察疲劳断口形貌。

2 试验结果和分析

2.1 X射线探伤结果和分析

X射线探伤结果显示，在不同广域环境温度条件下，焊接接头中气孔数量不同，见图1，-20℃时气孔数量很少，20℃和40℃时气孔数量相对较多。

焊接试验过程是在密闭的环境实验室内进行的，焊接时只调节温度变化，各温度条件下的相对湿度均为50%，且无风。当温度达到0℃以下时，环境中的水分一部分被凝固成霜，运动不活跃，空气中水蒸汽密度降低，电弧热所能影响到的区域内水分有限，致使氢的来源减少，进而减少了焊缝中的气孔[2]，另外，低温条件下熔池凝固速度加快，不利于气孔长大，所以形成尺寸相对较小的气孔。

2.2 疲劳性能试验及分析

2.2.1 -20℃焊接环境温度下接头的疲劳性能

焊接温度为-20℃下接头的疲劳性能S-N曲线如图2所示，S-N曲线符合指数分布，此种接头的疲劳极限为70MPa，疲劳断口显微形貌如图3所示。

由图3可见，疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区、瞬断区三部分组成。在该试件中裂纹源位于表面，呈现几何形态不规则的凹坑，这是由于表面缺陷造成的。表面缺陷使试样在循环加载过程中形成了局部应力集中，对疲劳强度有较大的影响[3]。从图3b中可以看到清楚的疲劳条带以及二次裂纹，并且扩展区断面十分光滑，整体上该区域呈现疲劳条纹花样[4]。从图3c可以看出该断口中存在韧窝形貌，韧窝产生的原因是：材料经受外加循环载荷的作用时，产生了塑性变形，然后在金属材料内部产生了微小的“空洞”，这些空洞在在外力的作用下，不断地发生形核长大，最后聚集形成裂纹。从晶体学角度来分析，在常温下，金属内晶体的运动方式主要是滑移为主，滑移导致了金属晶体发生形变。当滑移的数量达到了一定的数量的时候，滑移的晶面遇到了障碍，比如第二相粒子等，会使位错不断的增加，导致位错累积，造成局部应力集中，从而使金属晶体产生断裂[5]。

整个疲劳断口各区域内均未见明显的焊接缺陷，如夹杂、气孔等，原因是当焊接温度处于冰点以下时，环境中的水分凝结成霜，降低了空气中的水蒸气密度，因此在焊接过程中减少了氢的来源，然而氢是铝合金焊接接头中产生气孔的重要原因，随着氢的减少，气孔生成量自然变少。

2.2.2 20℃环境温度下焊接接头疲劳性能

环境温度为20℃下焊接接头的疲劳性能S-N曲线如图4所示，S-N曲线符合指数分布，此种接头的疲劳极限为52 MPa。疲劳断口形貌如图5所示。

由图5可见，A5083铝合金20℃焊接接头试件的疲劳断裂面上有明显的疲劳辉纹，这是疲劳裂纹扩展时留下的，存在于裂纹稳定扩展区。瞬断区断口呈明显的韧窝图样，表明A5083铝合金20℃焊接接头疲劳试件在断裂瞬间发生了塑性变形。疲劳断口的裂纹源区发现明显的气孔，呈弥散分布，大小不一。气孔的存在一方面造成应力集中，另一方面造成截面积减小，降低最大承载力，从而引起疲劳强度的降低。

2.2.3 40℃环境温度下焊接接头疲劳性能

环境温度为40℃下焊接接头疲劳S-N曲线如图6所示，疲劳极限为52 MPa，疲劳断口形貌如图7所示，判断疲劳源为弥散分布的气孔，气孔降低了接头的疲劳性能。

气孔一直是铝合金焊接过程中不可避免的焊接缺陷，电弧气氛中的氢是产生气孔的重要原因。在环境温度为20℃、40℃，相对湿度为50%的条件下焊接时，水蒸气密度比-20℃时高，在电弧的高温作用下，熔池上方的氢分压比在-20℃焊接时增大，氢在铝合金中的溶解度在凝固点时可从0.69mL/ 100 g突变到0.036 mL/100 g，相差20倍，增大了气孔形成的概率[6]。

3 结论

（1）焊接温度在冰点以下时，焊缝中气孔很少且尺寸微小，常温与高温下焊接的焊缝中含有数量较多、尺寸较大的气孔。

（2）焊接时环境温度为20℃和40℃时A5083铝合金焊接接头的疲劳性能极其相近，疲劳源均为焊缝中弥散分布的气孔；-20℃焊接所得接头的疲劳极限有明显提高，从55 MPa提升到75 MPa，疲劳源为试件表面缺陷。

（3）焊接温度通过影响焊缝中气孔的存在进而影响接头的疲劳性能。

[1]刘静安.铝材在交通运输业中的应用与开发前景[A].中国有色金属工业信息中心2002年交通运输用铝市场暨技术研讨会论文集[C].上海：上海科学技术文献出版社，2002，46-71.

[2]周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京：机械工业出版社，2007：40-44.

[3] 张都清，李远强.焊接缺欠对焊缝疲劳强度的影响[J].山东电力技术，1999（3）：44-46.

[4] 钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]束德林.工程材料力学性能[M].北京：机械工业出版社，2009：12.

[6] 王明涛.LF2铝合金焊接气孔的控制[J].化工时刊，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

铝合金焊接接头疲劳性能研究（KJ12-38C012）

付宁宁（1984—），男，山东济宁人，硕士，主要从事轨道车辆车体焊接工艺工作。