A5083鋁合金焊縫斷裂韌度研究

何曉龍，曹春鵬，單清群

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111）

A5083鋁合金焊縫斷裂韌度研究

何曉龍，曹春鵬，單清群

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111）

在焊道中添加銅絲，成功制造出含類(lèi)裂紋缺陷的焊縫。采用尺寸敏感斷裂抗力δm（8）表征斷裂韌度大小。與標(biāo)準(zhǔn)焊縫進(jìn)行對(duì)比分析，含類(lèi)裂紋缺陷的焊縫斷裂韌度均值較低，為0.061mm，小于標(biāo)準(zhǔn)焊縫斷裂韌度均值0.127mm，焊縫內(nèi)殘余銅絲是影響其數(shù)值較小的主要原因。

A5083鋁合金；類(lèi)裂紋缺陷；尺寸敏感斷裂抗力

0 前言

A5083鋁合金是非熱處理強(qiáng)化鋁合金，其成型、擠壓性能優(yōu)良，可焊性好，在高速列車(chē)車(chē)體上有重要的應(yīng)用[1]，如端墻外板、司機(jī)室外板。高速列車(chē)用中厚板A5083鋁合金采用多道MIG焊進(jìn)行連接，熔焊過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致接頭性能的劣化[2-3]。斷裂韌度作為評(píng)價(jià)金屬及其接頭性能的重要力學(xué)指標(biāo)，研究焊縫的斷裂韌度具有重要意義。

鋁合金基材的斷裂韌度研究[4-5]已經(jīng)十分系統(tǒng)。對(duì)于不同焊接參數(shù)形成的焊縫而言，焊縫力學(xué)性能具有特異性，研究焊縫斷裂韌性可加深對(duì)其綜合力學(xué)性能的理解。在此對(duì)比分析正常焊接接頭和制造類(lèi)裂紋缺陷焊接接頭，研究?jī)煞N條件下性能的差異。

1 試驗(yàn)材料和方法

A5083鋁合金的主要化學(xué)成分如表1所示。試板規(guī)格300 mm×60 mm×8 mm，采用兩道MIG焊進(jìn)行施焊，一對(duì)試板為正常焊接；另外一對(duì)試板在焊道中均勻加入細(xì)銅絲，制造類(lèi)裂紋缺陷。

表1 A5083鋁合金主要化學(xué)成分%

采用XXQ2505D-XK3.2型號(hào)X射線(xiàn)探傷儀檢測(cè)接頭結(jié)果，確保成功制造出類(lèi)裂紋缺陷。設(shè)備分辨率200 μm，焦距700 mm，探傷電流4.5 mA，電壓55 kV，曝光時(shí)間1.5 s。獲得初始探傷圖片后，利用系統(tǒng)圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行灰度調(diào)整和銳化處理，獲得清晰的圖片結(jié)果。

參照《GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)，拉伸試件尺寸如圖1所示。采用HVS-30維氏硬度計(jì)獲得接頭不同焊道的硬度分布曲線(xiàn)，焊縫內(nèi)硬度點(diǎn)間隔0.5 mm，熱影響區(qū)和母材間隔1.0 mm，加載力3 kN，保荷時(shí)間10 s。硬度點(diǎn)分布如圖2所示。

圖1 拉伸試樣尺寸(單位：mm)

圖2 硬度點(diǎn)分布

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2012《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》進(jìn)行斷裂韌度試驗(yàn)。對(duì)于A5083鋁合金，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生較大塑性，采用KIC表征此性能不太合理，因此考慮用尺寸敏感斷裂抗力δm（8）表征斷裂韌度的大小。試樣尺寸如圖3所示。

圖3 斷裂韌度試樣尺寸(單位：mm)

2 結(jié)果分析

2.1 探傷結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接試板和添加銅絲對(duì)接試板的探傷結(jié)果如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)試板焊縫中局部位置有少量氣孔（見(jiàn)圖4a），氣孔是MIG焊焊接過(guò)程中不可避免的固有缺陷，只能盡量減少氣孔的尺寸及含量。對(duì)接試板焊縫中存在大量的亮白色點(diǎn)狀、條帶狀異質(zhì)物（見(jiàn)圖4b），該物質(zhì)是殘留或熔融的銅絲，可將其視為類(lèi)裂紋缺陷，即焊接過(guò)程中成功制造出了預(yù)期缺陷。

圖4 不同試板探傷結(jié)果

2.2 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果及硬度曲線(xiàn)

焊接接頭拉伸結(jié)果和不同焊道的硬度分布曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5a可知，拉伸試驗(yàn)接頭斷裂于焊縫處，抗拉強(qiáng)度為285 MPa，0.2%非比例延伸強(qiáng)度為150 MPa。斷口邊界線(xiàn)與基材呈45°斷裂，為典型的剪切型斷裂模式。結(jié)合圖5b，硬度測(cè)試線(xiàn)1和硬度測(cè)試線(xiàn)2的焊縫硬度最低，與拉伸結(jié)果吻合，焊縫內(nèi)硬度數(shù)值有微小波動(dòng)。第一層焊縫（第二條焊道）硬度略低于第二層焊縫（第一條焊道），在焊接過(guò)程中，第一條焊道對(duì)第二條焊道有一定的預(yù)熱作用，導(dǎo)致上述結(jié)果。熱影響區(qū)硬度相對(duì)焊縫有一定程度提高，未出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。母材硬度最大，硬度值趨于穩(wěn)定，約為80 HV3。

2.3 斷裂韌度表征

不同試板焊縫缺口張開(kāi)位移結(jié)果如圖6所示。標(biāo)準(zhǔn)焊接試板焊縫的三個(gè)平行試樣結(jié)果吻合度非常高（見(jiàn)圖6a），最大載荷對(duì)應(yīng)的缺口位移平均值約為1.2 mm，而含類(lèi)裂紋缺陷焊縫的三個(gè)平行試樣的缺口張開(kāi)位移曲線(xiàn)有一定的差異性（見(jiàn)圖6b），這可能與焊接后殘留銅絲分布的局部不均勻性相關(guān)。其中有兩個(gè)平行試樣最大載荷對(duì)應(yīng)的缺口位移約為0.45 mm，第三個(gè)試樣最大載荷對(duì)應(yīng)的缺口位移約為0.75 mm。含類(lèi)裂紋缺陷焊縫承受的最大載荷及最大載荷對(duì)應(yīng)的缺口張開(kāi)位移均小于標(biāo)準(zhǔn)焊接試板焊縫。

兩種焊接試板焊縫的尺寸敏感斷裂抗力如圖7所示。標(biāo)準(zhǔn)板焊縫的尺寸敏感斷裂抗力為0.118~ 0.140 mm，平均值0.127 mm；含類(lèi)裂紋焊縫的尺寸敏感斷裂抗力最小值0.048 mm，最大值0.083 mm，平均值0.061 mm。三個(gè)平行試樣的結(jié)果均小于標(biāo)準(zhǔn)焊接試板，說(shuō)明殘余銅絲的存在會(huì)惡化焊縫的斷裂韌度。焊縫內(nèi)部存在大量的殘留銅絲，其作為類(lèi)裂紋缺陷，材料局部脆性增大，韌性降低，并且在類(lèi)裂紋與基材的結(jié)合界面處有較大的應(yīng)力集中，當(dāng)裂紋前沿與殘留銅絲交匯時(shí)會(huì)加速擴(kuò)展，形成的斷面粗糙度小，降低材料斷裂韌度。分析不同試板斷裂韌度結(jié)果的波動(dòng)性，采用式（1）的變異系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，變異系數(shù)考慮了不同條件下結(jié)果均值的差異性。標(biāo)準(zhǔn)試板對(duì)接焊縫和含類(lèi)裂紋焊縫的尺寸斷裂敏感抗力值δm（8）的變異系數(shù)分別為0.091和0.314，含裂紋焊縫變異系數(shù)值，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的波動(dòng)性更大。

標(biāo)準(zhǔn)焊縫、含類(lèi)裂紋焊縫的典型斷口形貌如圖8所示。標(biāo)準(zhǔn)焊縫斷口局部存在微孔（見(jiàn)圖8a）。含類(lèi)裂紋焊縫中存在明顯的類(lèi)裂紋缺陷（見(jiàn)圖8b），其斷口粗糙度小于標(biāo)準(zhǔn)焊縫。試樣斷口特征、探傷結(jié)果、斷裂韌度結(jié)果相互印證。

圖5 拉伸、硬度測(cè)試結(jié)果

圖6 缺口張開(kāi)位移結(jié)果

圖7 不同焊縫的斷裂韌度

3 結(jié)論

（1）標(biāo)準(zhǔn)焊接試板焊縫中有少量氣孔，為MIG焊的本征缺陷；通過(guò)在焊道中添加銅絲，成功在焊縫中制造出類(lèi)裂紋缺陷。

Research on fracture toughness of weld of A5083 aluminum alloy

HE Xiaolong，CAO Chunpeng，SHAN Qingqun
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

The experiments performed the crack-like defects via adding the copper silk in the welding bead.The index size sensitive fracture resistance δm(8)was utilized to characterized the fracture toughness.Comparative analysis was realized between the standard weld and the weld including crack-like defects.The fracture toughness of the weld including crack-like defects was lower than the standard weld，and the average values were 0.061 mm and 0.127 mm respectively.The existence of residual copper silk is the main reason for the lower value.

A5083 aluminum alloy；crack-like defect；size sensitive fracture resistance

TG457.14

A

1001－2303（2017）02－0107-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.21

2017-01-19

何曉龍（1976—），男，河北滿(mǎn)城人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事軌道車(chē)輛焊接質(zhì)量控制及過(guò)程管理方面的工作。

獻(xiàn)

何曉龍，曹春鵬，單清群.A5083鋁合金焊縫斷裂韌度研究[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：107-109，118.