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,飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點學科實驗室,南京 ２１００１６;
２．中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司,上海 ２００２４１;
３．中國電子科技集團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(補焊)接頭為研究對象,通過拉伸試驗、疲勞試驗,以及對疲勞斷口形貌觀察,研究了補焊對該焊接接頭力學性能的影響.結(jié)果表明:補焊會造成焊接接頭力學性能的下降,其中靜強度和中值疲勞強度下降明顯;焊縫是接頭拉伸強度與疲勞性能的薄弱部位,補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;補焊;疲勞性能
中圖分類號:TG４５７．１４ 文獻標志碼: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],因此在飛機上的應(yīng)用較多[２].飛機上大多數(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)的力學性能,同時降低生產(chǎn)成本,需要對接頭進行補焊[３Ｇ４].接頭補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)此方面的研究報道并不多見.為此,作者針對某型飛機結(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(即補焊)焊接接頭進行了拉伸、疲勞試驗,研究了補焊對５A(chǔ)０６鋁合金焊接接頭性能的影響,為實際生產(chǎn)提供參考依據(jù).
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
試驗材料為５A(chǔ)０６鋁合金,厚度為２mm,其化學成分如表１所示.
按照 HB/Z１１９－２０１１,對５A(chǔ)０６鋁合金分別進行一次焊接(不補焊,１＃ 接頭)和二次焊接(即一次焊接后補焊,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,焊接的起弧點和收弧點基本位于焊縫中點,在取樣時避開起弧點和收弧點.二次焊接時,先將一次焊接接頭用機械加工的方式磨平焊縫,然后在原有焊縫上進行補焊,焊接工藝同一次焊接.后續(xù)試驗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.所有接頭均進行焊后化學氧化表面處理.
圖１ 試樣尺寸
Fig．１ Specimensize
１．２ 試驗方法
根據(jù) HB５２８７－１９９６,采用標準試樣進行拉伸性能和疲勞性能試驗.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型電子萬能試驗機上進行拉伸性能試驗,拉伸速度為２mm??min－１,各測４個試樣取平均值.利用 W＋BLFVＧL 型動態(tài)疲勞試驗機進行疲勞試驗,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.疲勞試驗采用成組法和升降法,升降法試樣數(shù)為１３個,成組法不少于４組,每組不少于５個試樣.拉伸和疲勞試驗均在室溫下進行,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 度 實 測 值 為３４５MPa.從表２中可以發(fā)現(xiàn):１＃ 接頭抗拉強度測試值均達到了母材的９０％以上;２＃ 接頭的平均抗拉強度約為１＃ 接頭的８７．７％,平均伸長率約為１＃ 接頭的６１．４％,補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度薄弱環(huán)節(jié).
２．２ 對疲勞強度的影響
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.對疲勞試驗得到的應(yīng)力水平和疲勞壽命進行線性擬合,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度,則１＃ 和２＃ 接頭的中值疲勞強度分別為５８．０,３４．０ MPa,補焊降低了接頭的中值疲勞強度.
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 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,這是因為補焊使焊縫區(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 度為３１８．９２ MPa,中 值 疲 勞 強 度 為 ５８．０ MPa;補 焊后接頭的抗拉強度為２７９．９５ MPa,中值疲勞強度為３４．０ MPa;補 焊 明 顯 降 低 了 ５A(chǔ)０６ 鋁 合 金 焊 接接頭的力學性能.
(２)焊縫是接頭力學性能的薄弱部位,補焊使焊縫附近的晶粒粗大.