凯发国际首页 拋丸處理對A5083鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響

摘要：對A5083鋁合金焊接接頭進行拋丸處理,測試拋丸前后焊接接頭的疲勞強度,并對疲勞斷口進行觀察。疲勞試驗結果表明,經拋丸處理后,A5083對接接頭的疲勞強度有所提高,由65 Mpa提高到了70Mpa。端口觀察結果表明，未經拋丸處理的試件表面的氧化物夾雜在疲勞循環加載過程中形成了應力集中，從而引發了疲勞裂紋的產生。而經拋丸處理后，試件表面的氧化物夾雜被去除，避免了夾雜在循環加載過程中形成應力集中，從而提高了接頭的疲勞強度。
關鍵詞：A5083鋁合金；焊接接頭；拋丸處理，疲勞性能

0 前言

焊接是動車組列車車體集成的關鍵技術，焊接 接頭的可靠性決定著動車組列車車體運行的安全 性和可靠性。影響焊接接頭可靠性的主要因素是列 車運行時動載作用下接頭的疲勞性能。據統計，鋁 合金結構件中 90%的斷裂是由焊接接頭承受重復 性動載的疲勞破壞引起的，并且構件的疲勞失效往 往是突發的、災難性的，是引發安全事故的重要原 [1-3]。目前，動車組采用的基本為熔化焊（MIG），MIG 焊的焊接熱輸入量很大，造成焊接熱影響區很寬， 使焊趾、熱影響區成為整個焊接接頭較為薄弱的部 [4-6]，鋁合金母材的疲勞強度大都在為 100 MPa 上，而焊縫的疲勞強度都很低。另外，由于MIG 的焊接熱輸入量很大，易引起焊接裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，這些缺陷往往又是疲勞破壞的起源 -8]。而且 MIG 焊接時背面的余高部位往往是應力集中的區 域，這些應力集中的區域必然造成接頭疲勞性能的下降。因此改善焊接接頭的疲勞性能對于提高動車組車體的服役壽命給和運行的安全可靠性至關重要。

 拋丸機 拋丸是一種重要的表面處理方式，在鋁合金的 表面處理中應用得非常普遍，有研究表明，拋丸可 提高機車鑄造車輪的疲勞強度 ，但拋丸對鋁合金疲勞等力學性能的影響，目前研究還較少。本研究對 動車組常用車體鋁合金材料 A5083 焊接接頭進行 拋丸處理，對拋丸處理前后焊接接頭的疲勞性能進 行對比研究。

 1 試驗材料與方法A5083 鋁合金板厚8mm，其化學成分見表1

表1 A5083合金化學成分

焊接環境溫度 23 ～26 ，濕度 53 ～57 頭形式為對接，采用兩道焊工藝，焊前開坡口，焊接工藝參數見表 2。將焊接接頭加工為疲勞試樣，保留余高。對部分試樣進行拋丸處理，拋丸工藝參數見表3

表2 A5083鋁合金對接接頭的焊接工藝參數

表3 拋丸工藝參數

 采用 PL-100 型電-液伺服疲勞試驗機，參照 GB/T 13816-92 對試樣實施軸向力拉伸（正弦波）試 驗，試驗溫度為 20 ~22 。頻率為 80~100 Hz ，應力 R(σmax/σmi n)=0，試驗取 個應力級，每個應力級均取三個平行試樣，根據前期疲勞試驗數據選取合適 的起始應力，此后根據斷裂時的循環次數，依次將 應力遞減 10%直至找到疲勞極限。采用 JSM- 4690LV 型掃描電子顯微鏡（SEM）對典型的疲勞斷 口進行形貌觀察。

2 試驗結果和分析

2.1 拋丸處理對 A5083 對接接頭疲勞性能 的影響

拋丸處理前后 A5083 鋁合金對接接頭的疲勞試驗結果如表4所示，試件的斷裂位置均在焊趾處。未經拋丸處理的試件當應力為 65 MPa 時，試件重 復周次達到 10的7次方 而未發生斷裂，即該試件的疲勞極限為 65 MPa。而經拋丸處理的試件當應力為 70 MPa 試件重復周次達到10的7次方 疲勞極限為70 MPa。并且根據表 4，拋丸處理 前后 試樣疲勞極限的前一個應力級斷裂時的重復 次數 已經達到 10的6次方 次以上，可見疲勞極限的數據是準確可信的

表4 拋丸處理前后 A5083 鋁合金對接接頭的疲勞性能數據

 根據表4中的數據，采用指數擬合對數據點進行擬合，得到拋丸處理前后 A5083 鋁合金對接接頭 S-N曲線，4個應力級對應的疲勞斷 裂時的斷裂次數數據點符合指數擬合，且數據點分 布均勻。拋丸處理前后，A5083 鋁合金對接接頭在較 高應力級時的疲勞循環次數相差不大，在較低應力級時，拋丸后的接頭試樣疲勞循環次數明顯高于未經 拋丸處理的接頭試樣，表明拋丸處理對于提高 A5083 鋁合金對接接頭的疲勞壽命起到了明顯的作用。


 2.2 疲勞斷口形貌
 A5083鋁合金未拋丸對接接頭疲勞斷 口的形貌，斷口由疲勞源、裂紋擴展區、瞬斷區三部分組成。試件裂紋源位于表面，呈現幾何形態不規則的凹坑，這可能是由于表面缺陷造成的。能譜發現 的含量很高，說明有嚴重的氧化物夾雜。表面缺陷和夾雜使試樣在載荷的循環加載過程中形成了應力 集中，對疲勞強度有較大影響。裂紋的產生是阻止部 件為適應焊縫收縮而移動的約束程度，就是這個因 素構成了裂紋擴展必須的力量。從裂紋擴展區圖中 可以看到清晰的疲勞條帶以及二次裂紋，并且擴展 區斷面十分光滑，整體上該區域呈現疲勞條紋花樣。 裂紋擴展的條帶的寬度大小和裂紋擴展的速率有 一定關聯。從瞬斷區斷口可以看出該斷口呈韌窩狀， 屬于塑性斷裂，而塑性斷裂又屬于穿晶斷裂的一種形 式。韌窩產生的原因是，材料經受外加循環載荷的作 用時，產生塑性變形，然后在金屬材料內部產生了 微小的“空洞”，這些空洞在在外力的作用下，不斷 發生形核長大，較后聚集形成裂紋。從晶體學角度分 析，在常溫下，金屬內晶體的運動方式主要是滑移為 主，滑移導致了金屬晶體發生形變。當滑移達到了一定的數量時，滑移的晶面遇到了障礙，比如第二相 粒子等，會使位錯不斷的增加，導致位錯累積，造成 局部應力集中，從而使金屬晶體產生斷裂，該試件的 斷裂方式與試件在靜載荷下的斷裂形貌相似。

 圖2 A5083鋁合金未拋丸對接接頭的疲勞斷口

 A5083鋁合金拋丸處理后對接接頭疲 勞斷口形貌，試件的瞬斷區呈現出河流狀花樣，同時 還伴有舌狀花樣。河流狀花樣具有解理斷裂的裂紋 特征，解理斷裂屬于穿晶斷裂。該瞬斷區微觀形態產 生的原因是，該斷裂的區域在外加循環載荷的作用 下，導致材料的內部一局部區域產生拉應力，當該拉 應力達到一定值時，金屬的結合力小于該拉應力，從 而導致了金屬鍵的破壞，形成裂紋。該試件的斷裂方 式為脆性斷裂，可以推斷出試件在發生斷裂之前沒 有明顯的宏觀塑性變形，而且從圖中可以看到嶺脊 的存在，嶺脊的方向與裂紋擴展的方向是一致的。焊 接過程中受風的影響，焊縫金屬結晶速度快，熔融金 屬中的氣體不容易逸出，形成孔穴或氣孔產生應力 集中，誘發疲勞斷裂。裂紋擴展的初始階段，有較明 顯的輪胎狀花樣。在經過拋丸處理的試件表面，未發 現明顯的氧化物夾雜，表明拋物處理可有效去除試 件表面的氧化物夾雜，避免了夾雜在循環加載過程 中形成應力集中，從而提高了接頭的疲勞強度。

圖3 A5083鋁合金拋丸處理后對接接頭疲勞斷口

3 結論

（1）經拋丸處理后，A5083 鋁合金對接接頭的疲勞強度由未經處理的接頭疲勞強度 65 MPa 提高 70MPa，表明拋丸處理起到了提高 A5083 對接接頭疲勞強度的作用
（2）未經拋丸處理的試件表面的氧化物夾雜在疲勞循環加載過程中形成了應力集中，從而引發了 疲勞裂紋的產生，瞬斷區有韌窩，為塑性斷裂。
 （3）經拋丸處理后，試件表面的氧化物夾雜被 去除，避免了夾雜在循環加載過程中形成應力集中， 從而提高了接頭的疲勞強度。瞬斷區為解理形貌，為 脆性斷裂。
 參考文獻：
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