張仁航，李帥貞，汪認，何建英，許駿，孫曉紅，冷康龍

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關(guān)鍵字：全熔透；部分熔透；疲勞性能；應(yīng)力集中

1 序言

高速列車已日益成為國家交通主動脈，隨著高速列車生產(chǎn)技術(shù)要求日益提高，焊接生產(chǎn)受到越來越多的關(guān)注。鋁合金中厚板焊接易出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，十字接頭未焊透現(xiàn)象采用常規(guī)的無損檢測方法難以檢出其內(nèi)部缺陷，因此十字接頭類焊縫未焊透情況下的力學(xué)性能研究對于焊接生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉永等[1]建立了疲勞失效的主S—N曲線以研究不同板厚參數(shù)對于疲勞性能的影響；RAVINDRA等[2]研究了十字接頭角度對于疲勞性能的影響；山東大學(xué)吳俊亮等[3]提出了較厚板部分熔透可以部分取代全熔透十字接頭的理念；馬思群等[4]給出了不同焊接缺陷試件疲勞壽命的“等效初始裂紋”。本文研究了7B05鋁合金全熔透和部分熔透十字接頭性能，借助有限元分析方法對疲勞性能進行了驗證性分析。

2 試驗方法

十字接頭焊接試驗采用國產(chǎn)7B05鋁合金，合金狀態(tài)為T4，焊接方式為人工MIG焊，采用φ1.2mm的ER5356焊絲。焊接坡口形式如圖1所示，坡口間隙為2.5mm。等效未熔透缺陷[4]總尺寸不高于焊縫厚度2mm。焊接參數(shù)見表1。拉伸試驗設(shè)備采用島津IG-250KN萬能試驗機，疲勞試驗采用高頻疲勞試驗機PLG進行常規(guī)試驗，應(yīng)力比采用R=0.1，試驗分為8個應(yīng)力等級。拉伸、疲勞試樣由相同焊接參數(shù)批量焊接后統(tǒng)一取樣，根據(jù)焊接熔合狀況分別編號J8、J9。

圖1 十字接頭焊接坡口形式

十字接頭疲勞試件尺寸及應(yīng)力加載方向如圖2所示。試件加工去除起弧點及收弧點25mm范圍內(nèi)焊縫，在十字接頭界面處拋光、倒圓角，以避免疲勞裂紋產(chǎn)生于界面位置。全熔透焊接接頭如圖3a所示，部分熔透焊接接頭如圖3b所示，圖中未熔透總尺寸為1.8mm。

表1 十字接頭焊接參數(shù)

圖2 十字接頭疲勞試樣

圖3 十字接頭宏觀金相

圖4 同軸受力情況

3 模擬仿真

圖4為采用I I W推薦網(wǎng)格劃分方式，結(jié)合Vo n Mises應(yīng)力強度假設(shè)[5]條件下十字接頭結(jié)構(gòu)網(wǎng)格及應(yīng)力分布圖，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力均集中于焊腳處，力線傳遞也從一側(cè)由于截面尺寸突變導(dǎo)致在兩焊腳處改變分布流向產(chǎn)生拐點而聚集，后由于截面尺寸的擴大導(dǎo)致力線分布較為稀疏，使內(nèi)部應(yīng)力集中較小，應(yīng)力分布較為平緩，雖沒有達到均勻一致，但使得焊跟處應(yīng)力集中明顯優(yōu)于焊腳。隨力線一直沿著同軸和對稱的方向與路徑傳遞，又在另一側(cè)的兩焊腳處再一次遇到截面突然縮小并發(fā)生應(yīng)力集中，兩側(cè)應(yīng)力集中的情況和起因完全對稱，程度也保持一致。整體流線走向、變化情況、分布對稱統(tǒng)一。試驗可以發(fā)現(xiàn)，在部分熔透情況下會發(fā)生焊腳應(yīng)力集中程度增加的情況，從而導(dǎo)致焊縫疲勞性能較低。

4 疲勞性能

疲勞試驗前對十字接頭拉伸試驗測試見表2，兩種形式十字接頭拉伸斷裂位置均位于母材，接頭處抗拉強度高于母材，斷裂方式屬于韌性斷裂。針對十字接頭疲勞試驗，應(yīng)力比選用R=0.1，分別進行了8組應(yīng)力等級試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3、表4。疲勞性能擬合曲線如圖5、圖6所示。

表2 十字接頭拉伸性能

針對接頭J9-D1的典型疲勞斷口分析，其宏觀斷口形貌如圖7所示，從中可以看出，斷口存在明顯的疲勞輝紋和瞬斷區(qū)剪切唇結(jié)構(gòu)。焊接裂紋起始于焊縫焊腳缺陷處，由焊縫表面向焊縫內(nèi)部發(fā)展。圖8為其疲勞斷口的典型區(qū)域SEM圖片，圖8a為疲勞裂紋萌生區(qū)域局部，裂紋起始于近焊腳表面焊接缺陷處；圖8b為疲勞裂紋擴展區(qū)，可以觀察到互相平行且細密的疲勞輝紋，裂紋擴展路徑中沒有遇到大顆粒雜質(zhì)和第二相顆粒，無明顯的二次裂紋出現(xiàn)，同時未發(fā)現(xiàn)明顯的分層臺階；圖8c為疲勞裂紋瞬斷區(qū)，由大小不一的等軸韌窩組成，呈典型的韌性斷裂，韌窩深度較深，說明材料塑形儲備良好，部分韌窩中可觀察到棒狀的第二相粒子。

表3 全熔透試樣疲勞試驗數(shù)據(jù)

表4 部分熔透試樣疲勞數(shù)據(jù)

圖5 全熔透十字接頭疲勞回歸線

圖6 部分熔透十字接頭疲勞回歸線

圖7 疲勞試件宏觀斷口形貌

5 結(jié)束語

1）十字接頭部分熔透接頭均具有良好的拉伸載荷承載能力。

2）仿真模擬發(fā)現(xiàn)十字接頭未熔透部分會導(dǎo)致焊腳應(yīng)力集中增加，造成接頭疲勞承載能力降低。

3）部分熔透較全熔透十字接頭疲勞性能降低23%，疲勞斷裂主要發(fā)生于焊腳應(yīng)力集中區(qū)域，疲勞斷裂為韌性斷裂。