焊接气孔缺陷对A7N01铝合金焊接接头腐蚀疲劳性能的影响

王 新 ，周 强 ，徐晓龙

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031）

焊接气孔缺陷对A7N01铝合金焊接接头腐蚀疲劳性能的影响

王 新1，周 强2，徐晓龙2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031）

在不同环境湿度条件下制备了不同焊缝气孔率的A7N01铝合金焊接接头，并通过条件腐蚀疲劳强度和断口微观形貌研究气孔缺陷对焊接接头腐蚀疲劳性能的影响。结果表明，当焊接环境的湿度由常湿增至70%时，焊缝的平均气孔率由0.07%增大为0.16%，接头的条件腐蚀疲劳强度由110MPa降为100MPa，焊接气孔缺陷对A7N01铝合金焊接接头的腐蚀疲劳性能有明显影响。焊缝中的气孔会造成严重的缺口效应，引起应力集中，导致裂纹在气孔处优先萌生，并在应力和腐蚀介质的共同作用下形成沿晶与脆性疲劳条带的混合断裂形貌。

A7N01铝合金；焊接接头；气孔；腐蚀疲劳

0 前言

焊缝气孔是铝合金熔焊时最常见的缺陷[1]，氢是熔焊时产生气孔的主要原因[2-3]，主要来源于弧柱气氛中的水分和焊接材料以及母材吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分是焊缝产生气孔的主要原因，铝合金焊接时很少的氢都可能引起严重的气孔。同时，铝的导热性能强，其熔合区的冷却速度很大，不利于气泡逸出，因此很容易产生气孔[4]。

焊缝中的气孔对铝合金焊接接头的力学性能和疲劳性能会产生较大影响。R.F.Ashton等人[5]研究了气孔对5086-H116铝合金的焊接接头性能的影响，指出焊缝中的气孔会降低冲击韧度和接头抗拉强度，同时导致接头的抗弯曲性能变差。Jan Linder等人[6]研究了气孔对砂型铸造与金属型铸造的铝合金的疲劳性能的影响，结果表明，气孔的存在会降低铝合金的疲劳性能，并且对于砂型铸造的铝合金影响很大。薛小怀等人[7]研究了6061铝合金的气孔敏感性，结果表明，环境湿度和温度对铝合金焊接时的气孔敏感性具有显著影响，同时，MIG焊时的气孔敏感性对于环境因素影响比TIG焊时更显著。日本的气孔防止研究委员会研究表明[8]，当气孔缺陷高于在JIS（1995）的4级时，气孔的影响并不至于造成静强度下降，而当大气孔分布在焊缝中心时，其影响很明显，抗拉强度降低16%，当去除焊缝的加强高时，气孔对疲劳强度的影响会远远大于静强度的影响。

腐蚀疲劳除具有常规机械疲劳的特点外，由于受腐蚀性环境的侵蚀，腐蚀性电解质与金属材料通过电化学腐蚀起作用，材料的腐蚀疲劳寿命比一般疲劳寿命短，特别是在应力接近空气中疲劳极限的情况下。关于气孔对铝合金焊接接头腐蚀疲劳性能的影响，国内外还少有系统研究。本研究针对气孔对A7N01铝合金熔化极惰性气体保护电弧焊（MIG）接头在3.5%NaCl溶液中腐蚀疲劳性能的影响进行研究。

1 试验材料及方法

试验用铝合金A7N01厚8 mm，填充材料采用直径1.2 mm的ER5356焊丝，保护气为99.999%Ar。A7N01及焊丝化学成分见表1。采用MIG焊对A7N01试板进行打底和盖面两道对接焊，焊接示意如图1所示，焊接参数如表2所示。当相对湿度为70%时，气孔面积占有率最高，疲劳强度低。分别在常温常湿和常温、相对湿度70%的环境下进行焊接。

焊接完成后，采用X射线探伤设备（XXQ2505DXK3.2）检测接头缺陷，探伤主要参数如表3所示。

图1 焊接示意

表2 A7N01S焊接工艺参数

参照《GB/T 20120.01-2006金属和合金的腐蚀-腐蚀疲劳试验-第1部分：循环失效试验》[9]、《GJB 1997-94金属材料轴向腐蚀疲劳试验方法》[10]，采用成组法和升降法进行轴向腐蚀疲劳试验。在PWS-100电液伺服低频疲劳试验机上进行轴向拉拉试验，试样尺寸如图2所示。试验溶液采用质量分数为3.5%的NaCl中性溶液，试验频率f=10 Hz，应力比R=0.1，试验波形为正弦波，设定循环寿命5×105次。

采用扫描电子显微镜（HITACHI JSM-6490LV）观察腐蚀疲劳试验试样断口微观形貌。

表3 探伤主要参数

2 结果及分析

2.1 焊缝气孔缺陷

常温常湿环境条件下与常温、70%湿度条件下焊接试板的无损检测照片如图3所示，在常温、70%湿度条件下得到的焊接接头气孔率远远大于常温常湿条件下的接头。为了定量分析铝合金焊接接头气孔数量、大小和面积，对两种接头沿焊缝截面取样，采用Imagepro-Plus图像分析软件逐个统计气孔的数量、面积占有率和大小，如图4所示，统计结果如表4所示。

图2 腐蚀疲劳试样尺寸（单位：mm）

图3 A7N01铝合金在两种条件下的MIG焊接头X射线无损检测形貌

在常温常湿条件下，焊接接头的气孔面积非常小，并且气孔占有率很低，可视为正常的铝合金熔焊接头，焊缝中代表性的气孔数据如表4所示。在常温、70%湿度条件下，焊接接头气孔占有率平均为0.16%，单个气孔的最大面积也大大提高，形成了富集气孔缺陷的熔焊接头。

图4 A7N01铝合金常温、70%湿度焊接接头气孔统计

2.2 气孔缺陷对A7N01焊接接头腐蚀疲劳性能的影响

表4 A7N01焊缝区气孔统计

成组法腐蚀疲劳试验以145 MPa作为起始加载应力，根据断裂循环次数，将应力递减或增加5%～10%，直至第一次达到条件疲劳寿命500 000次，采用升降法进行试验，从而获得条件腐蚀疲劳强度。两种接头的腐蚀疲劳强度曲线如图5所示，可该试件在条件循环寿命为500 000次时，正常接头与富集气孔的接头试件在3.5%NaCl溶液中的腐蚀疲劳强度分别为110MPa和100MPa。富集气孔的接头试样均断裂于焊缝，主要是由于大面积气孔缺陷的存在减少了有效横截面积，使焊缝区的应力集中更严重。

图6为A7N01铝合金在常温常湿条件下获得的正常焊接接头在3.5%NaCl溶液中断裂在焊缝区的腐蚀疲劳断口微观形貌。图6a为断口的低倍形貌，A处为腐蚀坑。腐蚀疲劳源区微观形貌比较复杂（见图6b），有沿晶、早期疲劳条带、混合形貌等断口特征，疲劳源在腐蚀坑处萌生，腐蚀坑附近为沿晶与腐蚀泥的混合形貌，部分腐蚀产物堆积呈泥状花样，腐蚀由表面向深处发展。疲劳条带是疲劳裂纹稳定扩展第Ⅱ阶段的典型微观形貌特征，图6c为断裂在焊缝区的脆性疲劳条带，条带参差不齐，脆性疲劳条带的形成与裂纹尖端及其环境因子交互作用有关。疲劳条带表面还伴有二次裂纹和“空洞”存在（见图6d），铝合金内部存在大量的二相粒子，在轴向拉伸交变应力与腐蚀介质的交互作用下，二相粒子与基体金属间的结合力降低，部分二相粒子脱离基体形成“空洞”同时促进裂纹扩展。

图5 A7N01铝合金两种接头腐蚀疲劳强度曲线

图6 A7N01正常接头的腐蚀疲劳断口微观形貌

图7为A7N01铝合金在常温、70%湿度条件下获得的富集气孔的焊接接头在3.5%NaCl溶液中的腐蚀疲劳断口形貌。观察断口的低倍形貌可知，疲劳源附近有密集气孔分布（见图7a），气孔会造成严重的缺口效应，引起应力集中，使得裂纹优先在此处萌生，同时大气孔周围小气孔的存在为裂纹的扩展提供了一条快速通道，降低试件疲劳寿命。图7b为疲劳源向脆性疲劳条带过渡区，主要表现为沿晶形貌与脆性疲劳条带混合形貌。图7c为腐蚀疲劳断口典型的脆性疲劳条带，瞬断区断口微观形貌主要表现为静载瞬时特征，出现韧窝形貌（见图7d）。

图7 A7N01铝合金富集气孔接头的腐蚀疲劳断口微观形貌

3 结论

（1）增加焊接环境的湿度使A7N01铝合金接头焊缝的平均气孔率由0.07%增至0.16%，接头的条件腐蚀疲劳强度由110 MPa降至100 MPa，焊接气孔缺陷对A7N01铝合金焊接接头的腐蚀疲劳性能有明显影响。

（2）焊缝中的气孔会造成严重的缺口效应，引起应力集中，导致裂纹在气孔处优先萌生，并在应力和腐蚀介质的共同作用下形成沿晶与脆性疲劳条带的混合断裂形貌。

[1]Vell Smith.US.Efficient Welding Fabrication of Extruded.AluminumMat Panels[R].ArmyBelvoirResearch，Development and Engineering Center，1991.

[2]水野政夫.铝及其合金的焊接[M].许慧姿，译.北京：冶金工业出版社，1985.

[3]Malina.Study of metallurgical phenomena in the HAZ of 6061-T6 aluminum welded joints[J].Welding Research Supplement，1995（12）：305-318.

[4]T.Luijendijk.Welding of dissimilar aluminum alloys[J].Journal of Materials Processing Technology，2000（103）：29-35.

[5]Ashton R F，Wesley R P，Dixon C R.The Effect of Porosity on 5086-H116 Aluminum Alloy Welds[J].Welding Research，2003（25）：315-320.

[6]Jan Linder，Markus Axelsson，Henrik Nilsson.The influence of porosity on the fatigue life for sand and permanent mould castaluminum[J].InternationalJournalof Fatigue，2006（28）：1752-1758.

[7]薛小怀，邓正才.6061铝合金气孔敏感性研究[R].汽车焊接国际论坛，2003.

[8]日本气孔防止研究委员会.铝及其合金焊缝气孔的评价及其产生倾向-气孔对焊接接头性能的影响[J].轻金属溶接，1980：[页码不详].

[9]GB/T 20120.01-2006.金属和合金的腐蚀-腐蚀疲劳试验——第1部分：循环失效试验[S].

[10]GJB 1997-94，金属材料轴向腐蚀疲劳试验方法[S].

Influence of welding pore defect on corrosion fatigue property of welded joint of A7N01 aluminum alloy

WANG Xin1，ZHOU Qiang2，XU Xiaolong2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The welded joints of A7N01 aluminum alloy with different weld porosities are prepared in environment with different humidity.The influence of pores defect on corrosion fatigue property of the welded joints is studied by the conditional corrosion fatigue strength test and the fracture morphology observation.The results show that the average porosity increases from 0.07%to 0.16%when the humidity enhances to 70%，and the conditional corrosion fatigue strength decreases from 110 MPa to 100 MPa.Pore defects obviously affect the corrosion fatigue property of welded joints of A7N01 aluminum alloy.The pores in welds will cause serious gap effect and stress concentration，which lead to the priority initiation of cracks near the pores.The cracks form mixed fracture morphology，which propagates along the crystal and fragile fatigue strips under the collective effect of stress and corrosion medium.

A7N01 aluminum alloy；welded joint；pore；corrosion fatigue

TG405

A

1001-2303（2017）10-0058-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.12

本文参考文献引用格式：王新，周强，徐晓龙.焊接气孔缺陷对A7N01铝合金焊接接头腐蚀疲劳性能的影响[J].电焊机，2017，47（10）：58-62.

2017-05-18

王 新（1980—），男，高级工程师，硕士，主要从事高速列车铝合金车体焊接结构工艺及性能的研究工作。E-mail：sfwangxin@cqsf.com。