A7N01铝合金焊接接头的疲劳特性及寿命预测(英文)

研究A7N01铝合金焊接接头的疲劳特性,提出基于疲劳裂纹萌生寿命的寿命预测模型。母材、热影响区和焊缝三个区域内的疲劳裂纹萌生寿命差异较小。在这三个区域内,疲劳裂纹萌生寿命与疲劳总寿命之比是一个依赖于材料的参数,对于母材、热影响区和焊缝分别为26.32%、40.21%和60.67%。提出的疲劳寿命预测模型与实验结果和Basquin’s模型预测结果吻合良好。利用扫描电子显微镜(SEM)对疲劳断口进行观察,发现焊缝区域的裂纹萌生于焊接过程中产生的光滑表面。热影响区内疲劳裂纹萌生于熔合区气孔。母材中破碎的第二相是引起疲劳裂纹的主要原因。

A7N01铝合金焊接接头中不同区域在不同介质中的电化学腐蚀行为

为了积累A7N01铝合金及其焊接接头在不同介质中的电化学腐蚀数据,采用ER5356焊丝分别焊接了A7N01-T5和A7N01-T4铝合金。采用动电位扫描法分别测试了2种铝合金焊接接头中的母材及焊缝分别在5%(质量分数)NaCl,Na2SO4,NaNO3溶液中的极化曲线,并计算出相应的电化学参数。结果表明:2种铝合金焊接接头中母材在3种腐蚀溶液中的腐蚀倾向大于焊缝,腐蚀速率也快于焊缝;Cl-,SO2-4和NO-3对2种铝合金焊接接头中的母材及焊缝的腐蚀加速作用依次减弱;A7N01-T5母材在3种腐蚀介质中的耐蚀性优于A7N01-T4母材的。

A7N01铝合金复合加载下的疲劳裂纹扩展行为

利用CTS试样,研究了A7N01P-T4铝合金母材在I-II型复合加载下,不同加载角度时疲劳裂纹的扩展行为,利用有限元数值计算复合加载下裂纹尖端的应力强度因子(SIF,stress intensity factor)得到了加载角度与裂纹开裂方向的关系,并与由最大周向应力准则导出的关系进行了对比,二者吻合良好;根据疲劳试验和有限元计算的结果,并引入当量应力强度因子,分析了不同加载角下疲劳裂纹的扩展速率.结果表明,经当量化处理后,各加载角下的裂纹扩展速率曲线基本重合,并且满足Paris公式.

残余应力对高速列车A7N01铝合金焊接接头疲劳行为的影响

研究了残余应力在疲劳加载过程中的应力松弛行为,采用预拉伸、表面喷丸等表面预制残余应力的方法预制了表面残余应力,并研究了焊接接头的疲劳性能.结果表明,在经过1×105周次循环载荷后,各个部位残余应力发生较大松弛,在经过2×105周次后,应力松弛较1×105周次时松弛幅度降低.在2×105周次后,应力松弛不再明显,最终残余应力分布在拉应力20～40 MPa之间.当引入残余应力后,各种条件下的实际应力循环比发生了明显的变化,当应力比R≥0时,随着R的增大,平均应力增大,试样的疲劳周次显著下降.残余压应力会使裂纹萌生的周期缩短,同时加快疲劳裂纹扩展速率.

15mm厚A7N01铝合金MIG与激光-MIG复合焊接对比

试验采用MIG与激光-MIG复合焊接方法对15 mm厚A7N01铝合金进行焊接,对比两种方法的焊接工艺参数、接头组织和力学性能。研究结果表明,激光-MIG复合焊接接头常规力学性能方面略好于MIG;激光-MIG复合焊接的焊接效率明显高于MIG,且其焊接热输量入显著低于MIG。激光-MIG复合焊接方法在铝合金厚板焊接方面具有一定优势。

A7N01铝合金激光-MIG复合焊接坡口选择

试验采用激光-MIG复合焊接方法对6 mm厚A7N01铝合金进行焊接,探寻最适宜的坡口型式。试验结果表明:激光-MIG复合焊接方法对6 mm厚A7N01铝合金坡口尺寸的适应性良好,单边30°坡口、单边40°坡口和单边50°坡口的无损探伤、显微组织、力学性能表现良好,三种坡口型式之间差别较小;单边30°坡口的焊接速度快,线能量低,充分体现了激光-MIG复合焊接的优势,单边30°坡口是6 mm厚A7N01铝合金激光-MIG复合焊接最适宜的坡口型式。

喷砂处理对A7N01铝合金应力腐蚀开裂和点蚀性能的影响

采用慢应变速率试验和循环极化试验,研究了喷砂对A7N01铝合金耐应力腐蚀开裂和点蚀性能的影响。结果表明:在3.5%NaCl(质量分数)溶液中,与未喷砂合金相比,喷砂处理后A7N01铝合金的应力腐蚀敏感指数增大,抗应力腐蚀性能下降。喷砂后合金的点蚀电位、保护电位均降低,滞后环增大,且随浸泡时间增长,点蚀电位和保护电位负移,滞后环增大,喷砂处理使合金的抗点蚀能力和钝化膜修复能力降低。喷砂处理会造成A7N01铝合金表层晶粒细化、硬度增加,但同时喷砂也会造成表面粗糙度增加,并有微裂纹等表面损伤发生,从而降低合金的耐蚀性。

线能量对A7N01铝合金焊接接头残余应力的影响

焊接残余应力的产生主要是焊接过程中热输入不均匀所造成,因此焊接工艺参数尤其是焊接线能量对焊接接头的残余应力影响较大。通过实际测量与仿真计算相结合的方法,研究线能量的变化对A7N01S-T5铝合金双脉冲MIG焊接头残余应力的影响。结果表明,线能量的增大提高了热输入量,使纵向残余拉应力峰值从149 MPa增加到190 MPa;横向拉应力峰值之间相差不大,但横向拉应力峰值较纵向拉应力峰值高出约27 MPa。仿真计算结果与实测值的应力分布趋势和拉应力的峰值相近,二者之间形成较好的印证关系。

高速列车用高强A7N01铝合金焊接接头的组织与性能

通过维氏硬度计、扫描电镜、能谱仪对高速列车用A7N01铝合金MIG焊接接头的显微硬度、微观组织、疲劳断口形貌及组织成分进行试验分析。结果表明,焊接接头热影响区淬火区晶粒细小,晶内有很多细小的强化相;软化区晶粒粗大,晶内细小强化相较少,强化相在晶界处聚集长大。热影响区晶内有很多粗大化合物Al8Fe2Si,这些粗大化合物中杂质元素Fe、Si含量较高,容易导致疲劳裂纹的萌生。在粗大化合物的边界部位有强化相MgZn2析出。焊接接头硬度分布不均匀,软化区硬度明显低于淬火区,焊缝硬度最低,为72.1 HV,母材硬度最高,为135 HV。疲劳模拟试验表明,在靠近熔合线的热影响区产生了疲劳裂纹,并在淬火区扩展至试样最终断裂。疲劳裂纹倾向于沿晶扩展,疲劳断口上有很多沿晶二次裂纹。

热时效对A7N01铝合金焊后残余应力及性能的影响

为研究热时效参数（温度和时间）对铝合金焊接接头残余应力和力学性能的影响规律,对A7N01铝合金焊接部件进行不同参数下的热时效,采用钻孔应变释放法测量时效前后接头焊接残余应力。结果表明,在120-200℃内提高热时效温度有利于焊后残余应力的消除,而延长保温时间并没有显著效果,热时效参数为200℃×2 h时平均下降率能够达到35%;经过200℃×2 h时效处理后焊接接头抗拉强度达到JISZ3040规定的不小于285 MPa的要求,屈服强度和抗拉强度均高于焊态;200℃×2 h时效后接头在100 MPa应力下试样没有发生破裂,疲劳强度为136 MPa,与焊态下131 MPa相比有所提高,力学性能达到标准要求。

应力比对A7N01铝合金焊接接头裂纹近门槛值区拐点的影响

以A7N01铝合金焊接接头为研究对象,借助有限元法及有限元软件先进行A7N01铝合金板对接焊模拟,得到接头处残余应力分布情况,再对接头裂纹进行扩展模拟,最后应用最小二乘法对提取的仿真数据进行处理,重点分析了应力比对疲劳裂纹近门槛值区拐点的影响。结果表明:在接头裂纹扩展速率曲线的近门槛值区存在一个拐点,且应力比对其有影响。拐点对应的应力强度因子幅值ΔK t随应力比R的增大而减小,且当R>0.5时,ΔK t变化不大。拐点前后拟合直线斜率k随应力比R的变化为:在L 1区(低速扩展区),拟合直线斜率k 1随应力比R的变化更为明显,且随应力比R的增大而减小;在L 2区(Paris的延续),拟合直线斜率k 2随应力比R变化不大。

自然时效对A7N01铝合金光纤激光-变极性TIG复合焊接头组织和性能的影响

对4 mm厚的A7N01铝合金光纤激光-变极性TIG复合焊接头进行自然时效,通过金相显微试验、力学性能测试、差热分析、透射电镜分析等方法研究了自然时效对复合焊接头显微组织、力学性能的影响规律.结果表明,自然时效30天后,焊接接头力学性能明显提高并达到稳定,接头抗拉强度较焊态时提高了约15%,均值达到369MPa,为母材的83%,其断后伸长率从焊态3.1%提高到4.4%.去除余高后,抗拉强度进一步提高到394 MPa,达到母材94%断后伸长率提高到7.6%.断裂位置均在焊缝处,断口为韧窝状,为典型的韧性断裂.自然时效后,焊缝显微组织没有发生明显改变,但焊缝中的析出相数量和尺寸比焊态时增多,焊缝中主要析出相主要为GP区及部分亚稳态η'相和η稳定相.这些析出相能够钉扎位错,提高焊接接头强度.

合金元素对A7N01铝合金组织及性能的影响

采用正交试验法设计出八种不同成分的A7N01铝合金,加工后通过光学显微镜观察合金铸锭的金相显微形貌;经自然时效一月后,借助拉伸试验机、SEM观察及EDS分析对合金的强度和塑性进行研究;并采用正交分析法中的极差分析法、方差分析法分析合金的力学性能。结果表明,微量元素Mn、Cr、Zr、Ti可细化合金铸锭晶粒,其作用依次是:Mn、Cr联合作用大于Ti大于Zr;合金的强度受Zn、Mg、Cu元素含量影响较大;合金的拉伸断口是以韧窝为主的韧性断裂,且断口中存在杂质元素Fe和Si。

两侧分别单、双道MIG焊接A7N01铝合金T形接头的显微组织与性能

采用熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)工艺对A7N01铝合金T形接头两侧分别进行单、双道焊接,研究了接头的显微组织、显微硬度和疲劳性能,分析了单、双道焊接的影响。结果表明:单道焊侧从熔合区至焊缝中心的显微组织依次由细晶、柱状晶和等轴晶组成,双道焊侧熔合线附近的显微组织与单道焊侧的相似,在两道焊缝交界处形成了柱状晶,且第一道焊缝的柱状晶相对粗大;接头两侧的母材区均存在软化区,且单道焊侧的软化程度更明显;两侧分别为单、双道焊接接头的疲劳寿命比两侧均单道焊的短,疲劳裂纹萌生于焊趾表面并向内部扩展,断口呈现准解理断裂和韧性断裂的混合断裂模式。

不同评定方法对高速列车A7N01铝合金焊接接头疲劳强度的影响

选取我国某类型高速列车常用的A7N01S-T5铝合金焊接对接接头,通过实验获得接头的名义应力S-N曲线以及不同存活率下的疲劳强度。采用仿真分析方法获得接头热点应力、缺口应力,分别采用名义应力法、热点应力法、缺口应力法评定接头的疲劳强度。结果表明,通过应力比R=0的拉-拉轴向加载疲劳试验,接头中值疲劳强度Δσ为45.77 MPa,经过±2倍标准差修正后,95%可靠度的疲劳强度ΔσK为39.89 MPa;接头热点应力集中系数为1.034,热点应力疲劳强度为47.39 MPa;缺口应力疲劳强度为123.03 MPa。缺口应力疲劳强度结果最大,热点应力疲劳强度次之,而名义应力疲劳强度最小。因此用名义应力法评定接头疲劳强度更趋于保守,而热点应力法以及缺口应力法需要全面考虑焊缝的细节因素,更加准确地进行受力分析,才能保证高速列车焊接结构的安全可靠性。

时效制度对A7N01铝合金车体型材性能的影响

针对不同的时效制度对A7N01铝合金车体型材力学性能的影响这个问题进行了深入的研究与探讨。优化设计了几种时效制度,并分别进行了对比试验。制定了适合实际生产的合理的时效制度。

A7N01铝合金焊接接头组织对疲劳断裂的影响

研究了A7N01铝合金TIG焊接头组织对疲劳断裂的影响。使用光学显微镜对A7N01焊接接头的微观金相进行观察,使用疲劳试验机测试焊缝区、热影响区和母材区的抗疲劳性能,运用扫描电镜对疲劳断口的疲劳源区形貌、疲劳扩展区形貌进行观察。结果表明:焊缝区由α(Al)基体、粗大一次相和细小弥散第二相组成,呈现为铸造组织;热影响区由α(Al)基体和未完全固溶的一次相组成,热影响区接近焊缝一侧为等轴晶粒,远离焊缝一侧为粗大的变形晶粒;母材区由α(Al)基体、粗大一次相、细小弥散的第二相和平行轧制方向分布的夹杂物组成,呈现为由变形晶粒构成的轧制态组织。在相同疲劳条件下,母材区寿命最长,热影响区次之,焊缝区最短。疲劳源区SEM观察结果表明,焊缝区的焊接气孔、焊缝夹杂、结晶裂纹等缺陷为疲劳断口的主要疲劳源;焊缝区、热影响区和母材区微观组织的不同导致各区疲劳扩展阶段的微观形貌存在很大差异。

焊接气孔缺陷对A7N01铝合金焊接接头腐蚀疲劳性能的影响

在不同环境湿度条件下制备了不同焊缝气孔率的A7N01铝合金焊接接头,并通过条件腐蚀疲劳强度和断口微观形貌研究气孔缺陷对焊接接头腐蚀疲劳性能的影响。结果表明,当焊接环境的湿度由常湿增至70%时,焊缝的平均气孔率由0.07%增大为0.16%,接头的条件腐蚀疲劳强度由110 MPa降为100 MPa,焊接气孔缺陷对A7N01铝合金焊接接头的腐蚀疲劳性能有明显影响。焊缝中的气孔会造成严重的缺口效应,引起应力集中,导致裂纹在气孔处优先萌生,并在应力和腐蚀介质的共同作用下形成沿晶与脆性疲劳条带的混合断裂形貌。

合金元素对A7N01铝合金焊接接头断裂韧性的影响

A7N01铝合金是制造高速列车底架结构的关键材料,其合金构成中含有Zn、Mg等主元素,Mn、Cr、Zr,、Ti、Cu等微量元素以及杂质元素Fe、Si等元素。以具有四种不同合金含量的铝合金材料为研究对象,并制备了焊接接头,测试了不同焊接接头的断裂韧性。研究结果表明:决定A7N01铝合金母材断裂韧性性能的主要因素在于元素含量及配比,而对于焊接接头,除了元素含量及配比的影响,气孔的分布数量及体积对于断裂韧性起到了较大的影响。因此,在制备A7N01铝合金焊接接头时,除了要考虑合金元素的影响,更应该控制接头中气孔的生成,提高接头的质量。

应力集中对A7N01铝合金焊接接头疲劳性能的影响

采用脉冲MIG焊的方式制备了A7N01铝合金焊接接头,接头类型分别为对接、十字接、搭接等三种型式。采用A NSYS有限元仿真模拟不同类型接头的应力集中系数。研究不同类型接头疲劳S-N曲线,并分析断口微观形貌。结果表明:对接、十字接、搭接三种接头具有不同的应力集中系数,搭接接头具有最高的应力集中系数,十字接头次之,对接接头最低。随着应力集中系数的增大,三种接头的疲劳极限降低,并且在同样的加载应力下,疲劳循环周次也随着应力集中系数的增大而降低,但接头的微观断裂机理基本一致,都是在焊趾处为疲劳裂纹起源。证明应力集中不会影响A7N01铝合金焊接接头的断裂机理,由于高的应力存在,疲劳极限显著降低,因此在进行接头设计时,要考虑应力集中的影响。