张举麟１,２,李波涛１,张华松３,童明波１
(１．南京航空航天大学,飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京 ２１００１６;
２．中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 ２００２４１;
３．中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京 ２１００１６)
摘 要:以５A０６铝合金焊接模拟件的一次焊接接头和二次焊接(补焊)接头为研究对象,通过拉伸试验、疲劳试验,以及对疲劳断口形貌观察,研究了补焊对该焊接接头力学性能的影响.结果表明:补焊会造成焊接接头力学性能的下降,其中静强度和中值疲劳强度下降明显;焊缝是接头拉伸强度与疲劳性能的薄弱部位,补焊会造成焊缝附近金属晶粒粗大.
关键词:５A０６铝合金;焊接模拟件;补焊;疲劳性能
中图分类号:TG４５７．１４ 文献标志码:A 文章编号: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铝合金为铝镁系防锈铝合金,具有较高的强度和耐腐蚀性能.采用氩弧焊焊接后,该铝合金焊接接头的焊缝气密性和塑性较好[１],因此在飞机上的应用较多[２].飞机上大多数结构件在使用过程中承受着交变载荷的作用,在这种服役工况下,焊接结构易产生应力集中,再加上焊接结构还可能存在焊接缺陷,这些都会使焊接接头的疲劳强度大幅度降低.焊接结构中７０％以上的失效都是因焊接接头的疲劳断裂而导致的,因此,研究焊接接头的疲劳性能具有重要的意义.
在焊接过程中难以避免缺陷的产生.为了保证焊接结构的力学性能,同时降低生产成本,需要对接头进行补焊[３Ｇ４].接头补焊后有可能对焊接结构的承载能力尤其是疲劳性能造成不利的影响,但有关此方面的研究报道并不多见.为此,作者针对某型飞机结构的５A０６铝合金焊接模拟件的一次焊接接头和二次(即补焊)焊接接头进行了拉伸、疲劳试验,研究了补焊对５A０６铝合金焊接接头性能的影响,为实际生产提供参考依据.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验材料为５A０６铝合金,厚度为２mm,其化学成分如表１所示.
按照 HB/Z１１９－２０１１,对５A０６铝合金分别进行一次焊接(不补焊,１＃ 接头)和二次焊接(即一次焊接后补焊,２＃ 接头).一次焊接为氩弧焊,焊丝为５A０６铝合金,焊接电流为１８０~２２０A,氩气流量为１２~１４L??min－１,喷嘴孔直径为８~１０mm,送丝速度为１０８~１１７cm??min－１.对焊焊接时不开坡口,直接焊接,单面一次焊透.焊缝为二级焊缝,焊接的起弧点和收弧点基本位于焊缝中点,在取样时避开起弧点和收弧点.二次焊接时,先将一次焊接接头用机械加工的方式磨平焊缝,然后在原有焊缝上进行补焊,焊接工艺同一次焊接.后续试验用一次焊接接头和二次焊接接头的焊缝均不做任何处理,保留余高.
按照 HB５１７５－１９８７对焊缝进行无损伤检测,保证试样没有明显的焊接缺陷.所有接头均进行焊后化学氧化表面处理.
图１ 试样尺寸
Fig．１ Specimensize
１．２ 试验方法
根据 HB５２８７－１９９６,采用标准试样进行拉伸性能和疲劳性能试验.拉伸试样与疲劳试样的形状和尺寸相同,如图１所示.焊缝位于试样中间.在WDWＧE２０００型电子万能试验机上进行拉伸性能试验,拉伸速度为２mm??min－１,各测４个试样取平均值.利用 W＋BLFVＧL 型动态疲劳试验机进行疲劳试验,应力比R＝０,加载频率为２０Hz,疲劳极限
对应的加载次数取２×１０６ 周次.疲劳试验采用成组法和升降法,升降法试样数为１３个,成组法不少于４组,每组不少于５个试样.拉伸和疲劳试验均在室温下进行,相对湿度为 ５０％.利用 KHＧ７７００型数字显微镜观察疲劳断口形貌.
２ 试验结果与讨论
２．１ 对拉伸性能的影响
５A０６铝合 金 接 头 母 材 的 抗 拉 强 度 实 测 值 为３４５MPa.从表２中可以发现:１＃ 接头抗拉强度测试值均达到了母材的９０％以上;２＃ 接头的平均抗拉强度约为１＃ 接头的８７．７％,平均伸长率约为１＃ 接头的６１．４％,补焊降低了接头的拉伸性能.所有拉伸试样均在焊缝处断裂,焊缝是５A０６铝合金焊接接头的静强度薄弱环节.
２．２ 对疲劳强度的影响
所有接头试样的疲劳断裂位置均在焊缝处,说明焊缝为其疲劳性能薄弱部位.对疲劳试验得到的应力水平和疲劳寿命进行线性拟合,拟合方程为Sm ??N ＝C (１)式中:S 为应力水平;N 为试样疲劳寿命;m 和C 为材料常数.
试验及拟合得到的SＧN 曲线见图２,拟合得到１＃ 接头的 m 和C 分别为８．８７,７．３９×１０２１,２＃ 接头的m 和C 分别为５．４８,４．５４×１０１４.
由图２可以看出:２＃ 接头的疲劳强度始终低于１＃ 接头的;从高应力低周疲劳区到低应力高周疲劳区,随着循环应力的降低,２＃ 接头的疲劳强度与１＃接头的差值变大.取２×１０６ 周次对应的应力水平为中值疲劳强度,则１＃ 和２＃ 接头的中值疲劳强度分别为５８．０,３４．０ MPa,补焊降低了接头的中值疲劳强度.
２．３ 对疲劳断口形貌的影响
由图３可 以 看 出:不 同 接 头 试 样 的 疲 劳 断 口均可分成疲 劳 裂 纹 源 区、疲 劳 裂 纹 扩 展 区 和 瞬 断区;瞬断区表面比较粗糙,疲劳裂纹源区与疲劳裂纹扩展区表 面 则 较 为 平 滑,这 是 由 于 在 循 环 载 荷作用下,裂纹不断张开、闭合而造成.２＃ 接头近焊缝的晶粒比１＃ 接头的粗大,这是因为补焊使焊缝区重复受热,附近晶粒发生再熔合而聚合长大。
３ 结 论
(１)一 次 焊 接 ５A０６ 铝 合 金 接 头 的 抗 拉 强 度为３１８．９２ MPa,中 值 疲 劳 强 度 为 ５８．０ MPa;补 焊后接头的抗拉强度为２７９．９５ MPa,中值疲劳强度为３４．０ MPa;补 焊 明 显 降 低 了 ５A０６ 铝 合 金 焊 接接头的力学性能.
(２)焊缝是接头力学性能的薄弱部位,补焊使焊缝附近的晶粒粗大.