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,飛行器先進設計技術國防重點學科實驗室,南京 ２１００１６;
２．中國航發商用航空發動機有限責任公司,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５A０６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.
關鍵詞:５A０６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
５A０６AluminumAlloyWeldedJoint
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
of５A０６aluminumalloyasresearchobjects,theinfluenceofrepairweldingonthemechanicalpropertiesofthe
weldedjointwasstudiedbytensiletest,fatiguetestandfatiguefracturemorphologyobservation．Theresultsshow
thattherepairweldingdecreasedthe mechanicalpropertiesofthe weldedjoint,especiallydecreasedthestatic
strengthandmedianfatiguestrengthsignificantly．Theweldseam wastheweakpartoftheweldedjointintensile
strengthandfatigueperformance,andtherepairweldinggaverisetothecoarsegrainsofthemetalnearweldseam．
Keywords:５A０６aluminumalloy;simulatedweldedpart;repairwelding;fatigueperformance
０ 引 言
５A０６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],因此在飛機上的應用較多[２].飛機上大多數結構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,焊接結構易產生應力集中,再加上焊接結構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.焊接結構中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生.為了保證焊接結構的力學性能,同時降低生產成本,需要對接頭進行補焊[３Ｇ４].接頭補焊后有可能對焊接結構的承載能力尤其是疲勞性能造成不利的影響,但有關此方面的研究報道并不多見.為此,作者針對某型飛機結構的５A０６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５A０６鋁合金焊接接頭性能的影響,為實際生產提供參考依據.
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
試驗材料為５A０６鋁合金,厚度為２mm,其化學成分如表１所示.
按照 HB/Z１１９－２０１１,對５A０６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５A０６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 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 型動態疲勞試驗機進行疲勞試驗,應力比R＝０,加載頻率為２０Hz,疲勞極限
對應的加載次數取２×１０６ 周次.疲勞試驗采用成組法和升降法,升降法試樣數為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型數字顯微鏡觀察疲勞斷口形貌.
２ 試驗結果與討論
２．１ 對拉伸性能的影響
５A０６鋁合 金 接 頭 母 材 的 抗 拉 強 度 實 測 值 為３４５MPa.從表２中可以發現: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５A０６鋁合金焊接接頭的靜強度薄弱環節.
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 為應力水平;N 為試樣疲勞壽命;m 和C 為材料常數.
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;從高應力低周疲勞區到低應力高周疲勞區,隨著循環應力的降低,２＃ 接頭的疲勞強度與１＃接頭的差值變大.取２×１０６ 周次對應的應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、疲 勞 裂 紋 擴 展 區 和 瞬 斷區;瞬斷區表面比較粗糙,疲勞裂紋源區與疲勞裂紋擴展區表 面 則 較 為 平 滑,這 是 由 于 在 循 環 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重復受熱,附近晶粒發生再熔合而聚合長大。
３ 結 論
(１)一 次 焊 接 ５A０６ 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 ５A０６ 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.