多次补焊对A6N01铝合金焊接接头疲劳性能的影响

田志骞，陈东方，马国龙

（1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）

多次补焊对A6N01铝合金焊接接头疲劳性能的影响

田志骞1，陈东方1，马国龙2

（1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）

通过对多次补焊条件下A6N01铝合金焊接接头进行疲劳试验，获得了不同补焊条件下焊接接头的条件疲劳极限值以及不同区域的裂纹扩展速率，并分析其疲劳断口形貌。结果表明，随着补焊次数增加，接头疲劳极限值减小，三次补焊后其由98.8 MPa下降到89.7 MPa，仍然满足使用要求；焊缝区和热影响区裂纹扩展速率均增大，但热影响区抵抗裂纹疲劳扩展能力优于焊缝区。随补焊次数增加，焊缝区气孔缺陷增多以及热影响区过时效现象加剧是造成焊接接头疲劳性能下降的主要原因。

铝合金；补焊；焊接接头；疲劳性能

0　前言

A6N01铝合金因具有机械强度高、耐腐蚀性能好、焊接性好和易于成型等优点广泛应用于高速列车车体等关键零件的制造[1]。熔化极惰性气体保护焊MIG（Metal Inert Gas）是目前高速列车铝合金车体制造中应用最为广泛的焊接方法[2]。受铝合金材料物理性质的影响，如易氧化、比热容和热导率大、热膨胀系数高等，焊接过程中常出现气孔、裂纹、夹杂等缺陷，造成接头力学性能的下降。补焊成为改善接头性能、降低成本的重要手段。在高速列车运行过程中，铝合金焊接接头的失效多是由于受重复性载荷引起的疲劳破坏[3]。因此，对铝合金焊接接头的疲劳性能的研究受到普遍关注；多次补焊条件下焊接接头的疲劳性能尤为重要[4]。本研究系统分析了多次补焊条件下A6N01铝合金焊接接头疲劳极限以及不同焊缝区域的裂纹扩展速率，以确定多次补焊对接头疲劳性能的影响规律。

1　试验材料和方法

试验材料为A6N01S-T5板材，试件尺寸1 000mm× 200mm×8mm，焊丝选用法国SAF公司的ER5356WY，其化学成分如表1所示。

表1　母材及焊丝化学成分％

试验采用MIG焊焊接母材，保护气体为高纯氩气（纯度≥99.999％），保护气流量25L/min，坡口形式如图1所示。焊前对母材进行去油和除氧化膜处理以保证焊缝质量。为防止焊接变形，在刚性约束条件下进行焊接，焊接工艺参数为：焊接电压24V，焊接电流235A，焊接速度8.3mm/s。

图1　焊接接头坡口形式

焊接及补焊过程如图2所示。具体顺序如下：

图2　焊接及补焊过程示意

（1）根据预定的焊接参数进行初始接头的焊接：首先焊接焊道A，然后清根，再封底焊接焊道B。

（2）切除焊缝堆高，加工成如图2b所示的补焊坡口，按如图2c所示完成第一次补焊。

（3）重复步骤（2），完成第二次、第三次补焊。

焊缝疲劳性能测试根据JISZ3103-1987《熔化焊焊接接头的反复拉伸疲劳试验方法》进行取样和试验，具体疲劳试验试样尺寸如图3所示。高频疲劳试验在室温下进行，波形为正弦波，应力循环比为0。设定循环应力加载次数为时仍未起裂的应力值为条件疲劳极限值。在扫描电子显微镜（型号为HITACHI S-3400N）下观察疲劳断口。焊缝疲劳裂纹扩展速率试验根据GB9447-1988《焊接接头疲劳裂纹扩展速率试验方法》进行取样和试验，测试采用台阶型缺口紧凑拉伸（CT）试样在室温下进行，采用频率为5 Hz的正弦波额定载荷加载；根据焊缝横截面，分别选取焊缝中心、热影响区中心位置加工成所需试样。

图3　疲劳试件尺寸

2　试验结果与讨论

2.1焊接接头疲劳极限

根据疲劳试验结果，绘制不同循环载荷作用下应力范围Δσ与疲劳循环寿命N关系的S-N曲线，并将试验数据进行拟合，获得条件疲劳极限值，拟合结果如图4所示。一次焊接、一次补焊、二次补焊、三次补焊疲劳曲线拟合公式为

根据拟合曲线可获得，一次焊接时焊缝的疲劳极限为98.8 MPa，一次补焊后疲劳极限为93.6 MPa，二次补焊后疲劳极限为91.0 MPa，三次补焊后疲劳极限为89.7 MPa。结果表明，随着补焊次数的增加，6N01铝合金的疲劳极限值逐渐降低；三次补焊后疲劳极限值相比一次焊接下降了9.2％，但仍然满足规范要求的疲劳极限值（89 MPa）。

图4　焊接接头S-N曲线

2.2疲劳断口形貌分析

一次焊接焊缝在疲劳裂纹源区、稳定扩展区和瞬断区的断口形貌如图5所示。疲劳试验表明，一次焊接、三次补焊接头均在焊缝位置断裂。从疲劳裂纹源区的断口形貌可以发现，疲劳裂纹起裂于焊缝表面的气孔、夹杂等处，随着循环载荷的作用，裂纹呈放射状（见图5a）向焊缝内部扩展。稳定扩展区断口表面比较平坦、缺陷较少，可以明显观察到疲劳辉纹，并且辉纹的方向垂直于放射性条纹扩展的方向。随着裂纹的扩展，试样的承载面积逐渐减小，承受的应力逐渐增大，发生瞬间断裂，其断口由韧窝结构构成，呈现出明显的韧性断裂特征。三次补焊焊缝的断口形貌如图6所示，其疲劳裂纹源区以及稳定扩展区的断口形貌与一次焊接断口基本一致。但是裂纹源区气孔数量增多。图6c为瞬断区的断口形貌，相比于一次焊接，由于第二相粒子脱落导致的大韧窝数量明显较少。

图5　一次焊接焊缝疲劳断口形貌

2.3焊接接头不同区域裂纹扩展速率

分别测试一次焊接和不同补焊次数焊接接头的焊缝区和热影响区的裂纹扩展速率，根据Paris公式，绘制了表示应力强度因子与裂纹扩展长度关系的da/dN-ΔK曲线，并对曲线进行线性拟合，如图7所示。对焊缝区（见图7a），一次焊接裂纹扩展速率最小，疲劳性能最好；补焊后疲劳裂纹扩展速率增大，使焊接接头疲劳剩余寿命下降疲劳性能明显下降，三次补焊后，接头焊缝区甚至会过早失效。对热影响区（见图7b），一次焊接接头热影响区裂纹扩展速率最小，一次补焊对其影响较小，二次补焊后裂纹扩展速率降低，三次补焊后疲劳性能略有提高。

随着补焊次数的增加，焊接接头的裂纹扩展速率逐渐增大，疲劳性能下降。相比于焊缝区，热影响区裂纹扩展速率较低，疲劳性能优于焊缝区，因此焊缝区成为整个接头疲劳性能的薄弱部分，这也解释了疲劳试验接头均断裂于焊缝区的原因。

2.4补焊对焊接接头疲劳性能影响机理分析

随着补焊次数的增加，焊接接头的疲劳性能逐渐下降，这主要与焊缝微观组织和焊缝缺陷数量相关。

A6N01铝合金型材的热处理状态为T5，母材基本为再结晶组织，是由ɑ-Al基体以及弥散分布的Mg2Si第二相粒子组成。焊缝区为细小等轴晶区域，由于冷却速度较快，其中的Mg2Si第二相很少析出，固溶于基体中[5]。在远离焊缝的热影响区，其温度会超过原有的时效处理温度，从而出现过时效现象，Mg2Si第二相粒子会发生聚集长大。焊缝中的主要缺陷为气孔，若存在于焊缝表面则容易成为裂纹源。

图6　三次补焊焊缝疲劳断口形貌

图7　A6N01铝合金焊接接头的疲劳裂纹扩展速率

对焊缝区，随着补焊次数的增加，焊接熔池中存在的缺陷增多，为气泡的形成提供了条件，增加焊缝中气孔，裂纹源更容易存在[6]。另一方面，随着补焊次数的增加，焊缝中残余应力拉应力增加，在应力幅不变的情况下，残余拉应力的存在提高了平均应力水平，也会促进裂纹扩展。因此，随着补焊次数的增加，焊缝区疲劳性能降低。

对于热影响区，随着补焊次数的增加，由于铝合金热导率较高，在不断受到热循环的影响下，过时效的程度加强，范围也逐渐扩大；而第二相粒子对疲劳裂纹的扩展具有重要影响。Mg2Si的弹性模量、屈服强度等性能均优于基体，当裂纹尖端应力集中高于基体屈服强度时即会产生塑性变形，形成塑性区基体更容易产生塑性变形，而第二相粒子可以有效抵制裂纹的扩展[7]。另一方面，裂纹尖端扩展到第二相粒子时，裂纹尖端微小的塑性变形区不对称，疲劳裂纹会偏向屈服强度低的基体一侧继续扩展，使疲劳扩展路径发生偏转，有效裂纹扩展驱动力减小，降低疲劳裂纹扩展速率，提高抗疲劳裂纹扩展能力。而随着补焊次数的增加，热影响区中Mg2Si粒子的数量聚集长大，数量减少，其抵抗裂纹扩展的几率减小，从而造成热影响区疲劳性能降低。

3　结论

（1）随着补焊次数的增加，A6N01铝合金MIG焊接接头疲劳极限值逐渐降低；三次补焊后疲劳极限值相比一次焊接下降9.2％，但仍能满足使用要求。

（2）对接头断裂位置及断口形貌分析表明，焊缝是接头疲劳性能的薄弱部分，焊缝表面的气孔缺陷是发生疲劳断裂的主要原因。

（3）随着补焊次数的增加，焊缝区和热影响区的裂纹扩展速率均增大，抵抗裂纹扩展的能力下降。分析表明，焊缝区缺陷增多以及热影响区过时效现象加剧是造成裂纹扩展速率增大的主要原因。

[1]刘静安.日本大断面铝合金挤压型材生产技术[J].铝加工，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，马建民.焊接工艺方法对6061-T6铝合金焊接接头疲劳性能的影响[J].航空材料学报，2004，24（2）：52-53.

[4]付宁宁，夏宁，周成侯，等.多次补焊对6061-T6铝合金T型接头疲劳性能的影响[J].热加工工艺，2014，43（21）：208-210.

[5]彭建，周绸，张丁非.高速列车用6N01铝合金焊接接头的组织与性能[J].金属热处理艺，2010，35（11）：33-36.

[6]于金朋，张立民，张卫华，等.多次焊补对高速列车铝合金焊接接头的影响[J].焊接学报，2012，33（11）：77-82.

[7]闫德俊，刘雪松，方洪渊，等.高速列车用高强铝合金焊接接头疲劳裂纹的扩展特性[J].中国有色金属学报，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

田志骞（1985—），男，山东青岛人，工程师，学士，主要从事铝合金焊接技术方面的工程和研究工作。