分享：補(bǔ)焊對５A(chǔ)０６鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響

張舉麟１,２,李波濤１,張華松３,童明波１

(１．南京航空航天大學(xué),飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京 ２１００１６;

２．中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,上海 ２００２４１;

３．中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所,南京 ２１００１６)

    摘 要:以５A(chǔ)０６鋁合金焊接模擬件的一次焊接接頭和二次焊接(補(bǔ)焊)接頭為研究對象,通過拉伸試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn),以及對疲勞斷口形貌觀察,研究了補(bǔ)焊對該焊接接頭力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明:補(bǔ)焊會造成焊接接頭力學(xué)性能的下降,其中靜強(qiáng)度和中值疲勞強(qiáng)度下降明顯;焊縫是接頭拉伸強(qiáng)度與疲勞性能的薄弱部位,補(bǔ)焊會造成焊縫附近金屬晶粒粗大.

    關(guān)鍵詞:５A(chǔ)０６鋁合金;焊接模擬件;補(bǔ)焊;疲勞性能

    中圖分類號:TG４５７．１４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００８４Ｇ０３

InfluenceofRepairWeldingonMechanicalPropertiesof

５A(chǔ)０６AluminumAlloyWeldedJoint

ZHANGJulin１,２,LIBotao１,ZHANGHuasong

３,TONG Mingbo１

(１．MinisterialKeyDisciplineLaboratoryofAdvancedDesignTechnologyofAircraft,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing２１００１６,China;２．AECCCommercialAircraftEngineCo．,Ltd．,Shanghai２００２４１,China;３．ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationNo．５５Institute,Nanjing２１００１６,China)

    Abstract:Withtheinitialweldedjointandsecond(ropairwelding)weldedjointofthesimulatedweldedpart

of５A(chǔ)０６aluminumalloyasresearchobjects,theinfluenceofrepairweldingonthemechanicalpropertiesofthe

weldedjointwasstudiedbytensiletest,fatiguetestandfatiguefracturemorphologyobservation．Theresultsshow

thattherepairweldingdecreasedthe mechanicalpropertiesofthe weldedjoint,especiallydecreasedthestatic

strengthandmedianfatiguestrengthsignificantly．Theweldseam wastheweakpartoftheweldedjointintensile

strengthandfatigueperformance,andtherepairweldinggaverisetothecoarsegrainsofthemetalnearweldseam．

    Keywords:５A(chǔ)０６aluminumalloy;simulatedweldedpart;repairwelding;fatigueperformance

０ 引 言

    ５A(chǔ)０６鋁合金為鋁鎂系防銹鋁合金,具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能.采用氬弧焊焊接后,該鋁合金焊接接頭的焊縫氣密性和塑性較好[１],因此在飛機(jī)上的應(yīng)用較多[２].飛機(jī)上大多數(shù)結(jié)構(gòu)件在使用過程中承受著交變載荷的作用,在這種服役工況下,焊接結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中,再加上焊接結(jié)構(gòu)還可能存在焊接缺陷,這些都會使焊接接頭的疲勞強(qiáng)度大幅度降低.焊接結(jié)構(gòu)中７０％以上的失效都是因焊接接頭的疲勞斷裂而導(dǎo)致的,因此,研究焊接接頭的疲勞性能具有重要的意義.

    在焊接過程中難以避免缺陷的產(chǎn)生.為了保證焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,同時(shí)降低生產(chǎn)成本,需要對接頭進(jìn)行補(bǔ)焊[３Ｇ４].接頭補(bǔ)焊后有可能對焊接結(jié)構(gòu)的承載能力尤其是疲勞性能造成不利的影響,但有關(guān)此方面的研究報(bào)道并不多見.為此,作者針對某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的５A(chǔ)０６鋁合金焊接模擬件的一次焊接接頭和二次(即補(bǔ)焊)焊接接頭進(jìn)行了拉伸、疲勞試驗(yàn),研究了補(bǔ)焊對５A(chǔ)０６鋁合金焊接接頭性能的影響,為實(shí)際生產(chǎn)提供參考依據(jù).

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

試驗(yàn)材料為５A(chǔ)０６鋁合金,厚度為２mm,其化學(xué)成分如表１所示.

    按照 HB/Z１１９－２０１１,對５A(chǔ)０６鋁合金分別進(jìn)行一次焊接(不補(bǔ)焊,１＃ 接頭)和二次焊接(即一次焊接后補(bǔ)焊,２＃ 接頭).一次焊接為氬弧焊,焊絲為５A(chǔ)０６鋁合金,焊接電流為１８０~２２０A,氬氣流量為１２~１４L??min－１,噴嘴孔直徑為８~１０mm,送絲速度為１０８~１１７cm??min－１.對焊焊接時(shí)不開坡口,直接焊接,單面一次焊透.焊縫為二級焊縫,焊接的起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)基本位于焊縫中點(diǎn),在取樣時(shí)避開起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn).二次焊接時(shí),先將一次焊接接頭用機(jī)械加工的方式磨平焊縫,然后在原有焊縫上進(jìn)行補(bǔ)焊,焊接工藝同一次焊接.后續(xù)試驗(yàn)用一次焊接接頭和二次焊接接頭的焊縫均不做任何處理,保留余高.

    按照 HB５１７５－１９８７對焊縫進(jìn)行無損傷檢測,保證試樣沒有明顯的焊接缺陷.所有接頭均進(jìn)行焊后化學(xué)氧化表面處理.

圖１ 試樣尺寸

Fig．１ Specimensize

１．２ 試驗(yàn)方法

    根據(jù) HB５２８７－１９９６,采用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸性能和疲勞性能試驗(yàn).拉伸試樣與疲勞試樣的形狀和尺寸相同,如圖１所示.焊縫位于試樣中間.在WDWＧE２０００型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn),拉伸速度為２mm??min－１,各測４個(gè)試樣取平均值.利用 W＋BLFVＧL 型動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),應(yīng)力比R＝０,加載頻率為２０Hz,疲勞極限

對應(yīng)的加載次數(shù)?。?times;１０６ 周次.疲勞試驗(yàn)采用成組法和升降法,升降法試樣數(shù)為１３個(gè),成組法不少于４組,每組不少于５個(gè)試樣.拉伸和疲勞試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行,相對濕度為 ５０％.利用 KHＧ７７００型數(shù)字顯微鏡觀察疲勞斷口形貌.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 對拉伸性能的影響

    ５A(chǔ)０６鋁合 金 接 頭 母 材 的 抗 拉 強(qiáng) 度 實(shí) 測 值 為３４５MPa.從表２中可以發(fā)現(xiàn):１＃ 接頭抗拉強(qiáng)度測試值均達(dá)到了母材的９０％以上;２＃ 接頭的平均抗拉強(qiáng)度約為１＃ 接頭的８７．７％,平均伸長率約為１＃ 接頭的６１．４％,補(bǔ)焊降低了接頭的拉伸性能.所有拉伸試樣均在焊縫處斷裂,焊縫是５A(chǔ)０６鋁合金焊接接頭的靜強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié).

２．２ 對疲勞強(qiáng)度的影響

    所有接頭試樣的疲勞斷裂位置均在焊縫處,說明焊縫為其疲勞性能薄弱部位.對疲勞試驗(yàn)得到的應(yīng)力水平和疲勞壽命進(jìn)行線性擬合,擬合方程為Sm ??N ＝C (１)式中:S 為應(yīng)力水平;N 為試樣疲勞壽命;m 和C 為材料常數(shù).

    試驗(yàn)及擬合得到的SＧN 曲線見圖２,擬合得到１＃ 接頭的 m 和C 分別為８．８７,７．３９×１０２１,２＃ 接頭的m 和C 分別為５．４８,４．５４×１０１４.

    由圖２可以看出:２＃ 接頭的疲勞強(qiáng)度始終低于１＃ 接頭的;從高應(yīng)力低周疲勞區(qū)到低應(yīng)力高周疲勞區(qū),隨著循環(huán)應(yīng)力的降低,２＃ 接頭的疲勞強(qiáng)度與１＃接頭的差值變大.取２×１０６ 周次對應(yīng)的應(yīng)力水平為中值疲勞強(qiáng)度,則１＃ 和２＃ 接頭的中值疲勞強(qiáng)度分別為５８．０,３４．０ MPa,補(bǔ)焊降低了接頭的中值疲勞強(qiáng)度.

２．３ 對疲勞斷口形貌的影響

    由圖３可 以 看 出:不 同 接 頭 試 樣 的 疲 勞 斷 口均可分成疲 勞 裂 紋 源 區(qū)、疲 勞 裂 紋 擴(kuò) 展 區(qū) 和 瞬 斷區(qū);瞬斷區(qū)表面比較粗糙,疲勞裂紋源區(qū)與疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)表 面 則 較 為 平 滑,這 是 由 于 在 循 環(huán) 載 荷作用下,裂紋不斷張開、閉合而造成.２＃ 接頭近焊縫的晶粒比１＃ 接頭的粗大,這是因?yàn)檠a(bǔ)焊使焊縫區(qū)重復(fù)受熱,附近晶粒發(fā)生再熔合而聚合長大。

３ 結(jié) 論

    (１)一 次 焊 接 ５A(chǔ)０６ 鋁 合 金 接 頭 的 抗 拉 強(qiáng) 度為３１８．９２ MPa,中 值 疲 勞 強(qiáng) 度 為 ５８．０ MPa;補(bǔ) 焊后接頭的抗拉強(qiáng)度為２７９．９５ MPa,中值疲勞強(qiáng)度為３４．０ MPa;補(bǔ) 焊 明 顯 降 低 了 ５A(chǔ)０６ 鋁 合 金 焊 接接頭的力學(xué)性能.

    (２)焊縫是接頭力學(xué)性能的薄弱部位,補(bǔ)焊使焊縫附近的晶粒粗大.

（文章來源：機(jī)械工程材料 > 2017年 > 8期 > pp.84）