范亚刚 李阳 张志伟
中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 063199
摘要：高速列车轻量化是现阶段工程技术人员研究的重点之一，铝合金以它具有优秀的强度、刚度等，成为车体设计的主要选材。由于铝合金化学性能活泼，热传导系数大等原因，在焊接过程中容易产生气孔、咬边、夹渣，未熔合等缺陷，使得铝合金焊接接头疲劳性能远远低于母材的。将对铝合金焊接接头的超高周疲劳寿命进行研究，进而讨论焊接缺陷诱发疲劳裂纹萌生的机制及裂纹扩展特性
关键词：铝合金；焊接接头；影响
超声疲劳试验系统的发展使材料的超高疲劳行为研究成为热点，对高强度钢、钛合金以及铝合金的研究发现，通常材料不存在传统疲劳极限，低应力循环荷载作用下同样会发生疲劳破坏，对于焊接 接头的超高周疲劳问题，超长寿命区间内低合金钢焊接接头存在疲劳极限，超声冲击处理可以明显改善焊接接头的疲 劳性能；研究了高温下焊接接头的超高周疲劳行为，发现基体软化、表面氧化和残余应力是导致疲劳裂纹萌生的主要原因，目前已有的研究发现焊接接头疲劳性能降低主要由内部焊接缺陷所致，但缺陷对疲劳裂纹萌生及扩展机理的详细阐述仍不明确。
一、铝合金焊接接头疲劳
焊接接头是由母材、热影响区(HAZ)、熔合区、焊缝共同形成的一个不连续、不均匀组织体，这种组织特性使焊接接头强度往往低于母材强度，因此焊接接头强度成了焊接结构承载功能荷载的基本保证，且焊接结构失效破坏大多为疲劳破坏，研究焊接接头的疲劳与断裂问题是研究焊接结构全寿命周期的关键内容。焊接结构的疲劳破坏主要起源于焊接接头的应力集中区，因此焊接结构的疲劳性能主要由焊接接头细节区域的疲劳性能所决定。评价焊接接头疲劳强度可以用疲劳降低系数 γ 来描述，即
在铝合金材料的焊接过程中，由于较高的热导率、较大的线膨胀系数和铝氧化膜等原因，焊接接头容易产生气孔、裂纹等缺陷，导致焊缝力学性能降低、耐腐蚀性能减弱，焊接过程较大的热循环也造成了热影响区强度的退化。另外，铝合金的焊接效率、焊接接头强度下降、焊接环境要求、环境污染、劳动力资源短缺等一系列问题都给铝合金车辆焊接带来了众多挑战，如何获取更加优良的焊接接头成了国内外轨道车辆制造行业发展的重要课题。疲劳断裂是金属焊接结构典型的断裂形式之一，由于焊接接头不可避免地存在焊接缺陷，形成的初始裂纹源导致接头疲劳降低，不能再依据母材的疲劳性能对焊接接头进行疲劳安全设计，因此国内外对焊接接头疲劳性能的研究十分重视。
二、影响超高周疲劳的因素
影响金属材料超高周疲劳寿命因素很多，比如焊接缺陷咬边、未融合、气孔和夹杂等，［1］发现在高温下基体软化、表面氧化和残余应力是影响超高周疲劳的主要因素，所以分析铝合金疲劳特性不仅要考虑多因素的交互影响，还要考虑某个特定条件下影响疲劳强度的主要因素，本文从试样表面状态和焊接缺陷探讨影响超高周疲劳的因素。试样的表面状态是影响疲劳寿命的主要因素，焊缝的几何形状包括焊缝余高、焊趾处的圆弧过渡半径等都会不同程度的增大应力集中系数。对利用有限元分析影响疲劳寿命的因素，结果表明材料表面加工不合格会引起应力集中，没有明显焊接缺陷情况下表面粗糙度成为疲劳破坏的主要原因。研究了焊缝几何特征对 5A30 铝合金焊接接头疲劳试验的影响，试样采用不同的焊缝余高和不同的焊缝几何特征，结果表明焊缝余高的存在明显提高了焊趾处应力集中系数，当对接接头余高大于 3mm 时，焊趾处应力集中系数达到 1. 7 以上，很容易发生疲劳失效，去除余高至表面光滑的试样疲劳寿命是正常余高的 2 ～ 3 倍。通过中间含等直段的漏斗缺口试件( 缺口形状为“U 形缺口”) 超高周疲劳试验，说明缺口带来的应力集中显著降低 铝合金疲劳性能，应力系数越大，疲劳性能越差，端口由于缺陷存在会出现多个裂纹源，在裂纹早期扩展阶段呈现解理断裂小平面，同时观察到二次裂纹。焊接过程中焊接工艺选择不当容易出现气孔、孔洞和夹杂物等常见的缺陷，成为诱发疲劳破坏的主要原因。
［1］研究了气孔对超高周疲劳寿命的影响，研究表明气孔直径越大，距离表面越近应力集中越明显，疲劳寿命的降低主要是疲劳裂纹直接从气孔内表面萌生，气孔内部产生几何不连续，孔边缘产生应力集中，孔边周围出现塑性滑移带，诱发裂纹，大大减少了焊接接头的疲劳寿命，指出不考虑气孔大小的情况下，气孔中心距离表面越近，疲劳寿命越低，同时证明加载频率对5A06 铝合金 TIG 焊接接头疲劳寿命影响很小。夹杂物多为富含铝、镁和硅的氧化物或金属间化合物，焊缝中的夹杂物多呈疏松状存在，当夹杂物尺寸超过一定门槛值以后，由于夹杂物形状的不规则，与基体接触不紧密诱发裂纹产生，导致构件的疲劳寿命会急剧降低。孔洞缺陷断裂的形式类似气孔，孔洞越接近表面会出现越大的应力集中，在压铸铝合金件中 100μm 以上的孔洞会成为疲劳断裂的起源，而 200μm 较易引发疲劳萌生和断裂。
三、提高疲劳寿命的措施
疲劳破坏是焊接结构失效的主要形式，国内外疲劳构件设计时普遍使用接头的疲劳强度设计焊接结构的使用寿命。研究证明: 焊接结构疲劳破坏的主要原因是焊趾和几何加工不均匀处的应力集中、焊接缺陷和残余拉伸应力。在认识到问题的根源后，如果能够在焊前或者焊后通过处理; 一方面改善构件表面状态、改善焊缝的几何特征、增大焊趾过渡半径等; 另一方面矫正焊接变形减少残余应力，甚至是转化为能够增大疲劳寿命的残余压缩应力，就可以提高构件的疲劳寿命。实际应用中通常利用焊趾打磨法、局部机械加工法、TIG 熔修法等，来改善焊缝形状、焊趾轮廓。焊趾打磨可以增大焊趾圆弧过渡半径，减小应力集中，改善表面状态，但是打磨过程容易在表面留下划痕，引起疲劳破坏，并且部分焊接构件所处位置不利于打磨。机械加工去掉焊缝余高，可以使接头疲劳强度接近母材。王东坡等人［2］研究了超声冲击与 TIG 熔修复合强化焊接接头疲劳强度的方法，指出 TIG 熔修相比较原始焊态，疲劳强度改善程度达 34% ，寿命提高 0. 4 ～ 1. 3 倍，而 TIG 熔修 + 超声冲击的复合处理方法，在 TIG 熔修和超声冲击的基础上进一步改善疲劳强度，疲劳寿命延长 28 ～ 125 倍。许志安等人［25］研究 TIG 熔修对 7075 铝合金接头残余应力的影响，试验表明焊趾 TIG 熔修后残余应力明显降低，而且经过 TIG 熔修处理后焊趾位置的几何形貌发生明显改善，过渡角、熔修宽度和深度比较理想，焊趾位置应力集中明显降低。值得注意的是 TIG 熔修对表面状态十分敏感，处理之前应仔细检查熔修位置，去除油污、锈蚀等，另外焊接电流、焊接速度等都会影响重熔位置的疲劳性能。利用超声冲击改善 3A21( LF21) 铝合金接头疲劳强度，在 2 × 106 循环载荷下，超声冲击处理非承载十字焊接接头和 T 型焊接接头后疲劳强度分别提高了 26% 和 37% ，对铝合金疲劳强度的提高有明显的作用。超声冲击也可以作为服役中损伤的疲劳构件的修复手段，对已经发现细小裂纹的焊趾处超声冲击处理后，焊趾处裂纹停止生长，随后改为从焊根开裂。另有资料表明超声冲击后接头表层组织会产生类裂纹缺陷，这种“叠形缺陷”几乎不能避免，能直接诱发裂纹产生［3］。
影响铝合金疲劳因素的原因很多，裂纹表现为多源形核的特征，严重影响焊接构件的疲劳寿命。为提高铝合金焊接接头的疲劳寿命，可以从焊后处理或焊接材料、焊接工艺入手，以达到降低焊趾应力集中、引入有益压缩残余应力的目的。
参考文献：
［1］马建民，李敬勇． 焊接缺陷对铝合金焊接接头疲劳性能的影响［J］． 材料开发与应用，2018，37( 2) : 59 － 62．
［2］闫桂玲，王弘，康国政． 高速列车用 6065A 铝合金超高周疲劳性能试验研究［J］． 中国铁道科学，2017，35( 1) : 67 － 70．
［3］何柏林，张枝森，谢学涛． 加载环境对合金超高周疲劳行为的影响［J］． 华东交通大学学报，2018，33( 5) : 51 － 56．
［4］宋亚南，徐滨士，王海斗．金属材料超高周疲劳的试验方法及失效特征［J］． 中国有色金属学报，2019，33( 5) : 51 － 56．