Study on Microstructure and Fatigue Properties of 6005 Aluminum Alloy Lap Joint
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摘要: 采用熔化极惰性气体保护（MIG）焊对6005铝合金进行搭接焊接试验. 对焊接接头进行微观组织观察和显微硬度测试，结果显示，熔合区出现联生结晶特点，焊缝中心以等轴晶为主，热影响区（HAZ）晶粒发生严重粗化，焊缝区的维氏硬度（HV）为64.5，母材区为89.6，接头出现明显软化区. 在疲劳性能测试中焊接接头疲劳强度只有母材的21.41%，焊接接头疲劳断口呈韧性断裂和解理断裂的混合性断裂. 分析疲劳裂纹扩展机理得出，在裂纹尖端钝化和加载应力循环下，裂纹沿45°方向呈“Z”字型扩展.Abstract: Metal inert-gas (MIG) welding was used to conduct lap welding experiments on 6005 aluminum alloy. The microstructure and microhardness of the welded joint were observed. The results show that the intergrowth crystal appears in the fusion zone, the equiaxed crystal is dominant in the weld center, and the grain coarsening has occurred in the heat affected zone (HAZ). The Vickers hardness (HV) of the weld zone is 64.5, and that of the base metal zone is 89.6, and the joint appears obvious softening zone. The fatigue strength of the welded joint is only 21.41% of the base material in the fatigue performance test, and the fatigue fracture of the welded joint is a mixed fracture of ductile fracture and dissociative fracture. By analyzing the mechanism of fatigue crack propagation, it is concluded that the crack propagates in a “Z” shape along the 45° direction under the condition of crack tip passivation and loading stress cycle.
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Key words:
- 6005 aluminum alloy /
- microstructure /
- fatigue properties /
- crack growth
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在铁路车辆特别是高速列车的制造中，随着列车设计的不断改进，减轻车辆重量是提高列车速度和降低能耗的最佳途径[1-2]. 铝合金由于密度轻、可塑性好、强度高、无低温脆性转变、耐大气腐蚀、易加工等优点，在轨道车辆制造中的应用越来越广泛[3-5]，6005铝合金是其中之一. 6005铝合金主要用于高速列车的地板、梁柱等[6]. 熔化极惰性气体保护（MIG）焊是铝合金车体主要的焊接方法，但这种熔焊方式易产生气孔，且焊接温度过高易导致接头软化和产生裂纹[7-8]. 铝合金焊接产生的缺陷不仅降低了结构车体的强度，而且高速列车的高频动载荷也有可能引起裂纹扩展，从而导致整个结构的疲劳损伤[9].
国内外学者对铝合金疲劳性能进行广泛研究. Gu 等[10]对6005铝合金激光搭接接头进行疲劳性能研究，结果表明，在1 × 106循环周次下接头疲劳极限为22.5 MPa. Xu等[11]研究了单道搅拌摩擦焊和双道搅拌摩擦焊对6061铝合金寿命的影响，研究表明在相同的循环次数下，双道焊缝的铝合金疲劳极限要比单道铝合金高11.8%. Chen等[12]研究了缺口位置对6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展行为的影响，结果表明微观组织的不均匀性和裂纹闭合是导致疲劳裂纹扩展速率波动的主要原因.
本文主要对6005铝合金MIG焊搭接接头进行微观组织观察和显微硬度测量，并对母材和焊接接头进行疲劳性能测试，进一步研究搭接接头的疲劳损伤行为和分析裂纹扩展的机理.
1. 试验材料和方法
试验材料为6005轧制铝合金板材，经过T6热处理，厚度为4 mm. 焊丝为直径1.4 mm的ER5356合金，6005铝合金和焊丝的化学成分（质量分数，全文同）见表1.
表 1 6005铝合金和ER5356焊丝的化学成分Table 1. Chemical composition of 6005 aluminum alloy and ER5356 welding wire% 材料 Fe Cu Si Mn Mg Cr Zn Ti Al 6005 0.35 0.30 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 余量 ER5356 0.40 0.10 0.25 0.35 4.80 0.15 0.10 0.13 余量 对6005铝合金采用双面搭接MIG焊，接头搭接重合长度为20 mm，焊接过程中保护气体为纯氩气，焊接工艺参数见表2. 焊接前使用碳化硅（SiC）纸和丙酮去除焊接位置附近氧化铝涂层和表面的油污. 焊后将焊接接头切割下来进行镶嵌制样，先用400#至1600#的SiC纸，粗糙度从高至低依次打磨，再将试样表面用抛光机进行抛光，至试样表面光亮无划痕呈镜像状态，用Keller试剂（m（HF）∶m（HCl）∶m（HNO3）=2∶3∶5）对试样表面进行腐蚀，在VHX-6000超景深显微镜下观察焊接接头微观组织形貌. 用HV-1000型显微硬度计依次测试焊接接头的焊缝（WM）、热影响区（HAZ）和母材（BM）的硬度，硬度测试加载载荷为0.98 N，保荷时间为15 s，每隔0.25 mm进行一次硬度测试. 疲劳试样制备用线切割完成，按照国家标准GB/T 3075—2008《设计疲劳试样尺寸》，疲劳试样模型和设计尺寸如图1所示. 使用Zwick/Roell Amsler HB250电液伺服试验机进行疲劳试验. 拉伸载荷的疲劳循环模式为正弦波. 加载频率为20 Hz，应力比R=0.1，环境温度为299 K，相对湿度为55%. 疲劳S-N曲线的统计方法遵循国际标准ISO 12107：2003. 疲劳试验之前需用SiC纸将试样表面和侧面打磨光洁. 用Hitachi S-3400N扫描电子显微镜（SEM）观察疲劳断裂的断口.
表 2 焊接工艺参数Table 2. Welding process parameters焊接电流 / A 焊接电压 / V 焊接速度 / （mm·s−1） 气体流速 / （L·min−1） 160 21 5.0 20 2. 试验结果与分析
2.1 焊接接头微观组织分析
焊接接头的微观组织如图2所示. 从图2（b）可以看出熔合区区域较小，熔合区附近出现胞状晶，熔合区是由靠近母材的未熔合区和靠近焊缝的半混合区组成，2个区域的交接为熔合线. 图2（b）中的焊缝金属具有联生结晶特点，焊缝中的液态金属依附于未熔合的母材晶粒，表面析出固体晶粒向熔池方向生长，生长方向与熔池散热相同的晶粒，最终形成柱状晶，生长方向与熔池散热相反的晶粒竞相生长，形成等轴树枝晶. 同时图2（b）中的焊缝出现气孔，气孔的产生是由于焊缝高速凝固，气泡无法完全从焊缝中逸出而留在焊缝中. 铝合金焊接接头的主要缺陷是气孔，气孔会让接头有效的支撑面积减少，导致其强度下降，并且焊缝表面上的气孔应力集中从而严重影响接头的疲劳性能.
图 2 6005铝合金MIG焊接接头微观组织Figure 2. Microstructure of 6005 aluminum alloy MIG welded joint图2（c）为焊缝中心处微观组织，熔融的液态金属受到周围的拘束力很小，在结晶时可以从液相内部开始形核，形成雪花状的等轴晶. 图2（d）为母材的微观组织，可以看出母材为轧制状态组织，晶粒为长条状，晶粒宽度大约为65 μm. 图2（e）为HAZ的微观组织，对晶粒宽度大小测量，发现HAZ中的晶粒发生粗化，由原本的长条状变为块状，使得该区域硬度下降，并且由于是搭接接头，两块板之间存在一条缝隙，会导致其机械性能下降.
2.2 显微组织硬度分析
将焊接接头放置于显微硬度计中，从焊缝边缘开始进行硬度测试，整理显微硬度测试数据得到其不同区域的显微硬度曲线分布，如图3所示. 图3中横坐标为显微硬度测试位移，“0”点为硬度测量起始点，纵坐标为维氏硬度（HV）值，可以大致看出接头分为焊缝区、热影响区、母材3个区域. 由图可知，焊缝区和热影响区宽度分别为6.25 mm和8.75 mm. 焊缝硬度平均值为64.5，硬度在熔合区（FZ）附近急剧上升，最高达到91.2，熔合区的硬度比焊缝中心高，是因为熔合区有未熔解的母材. 熔合区为固液交汇处，该区的热影响最为严重，使得6005铝合金强化相大量析出. 根据硬度变化可以发现，在6.25 ~11.5 mm之间硬度不断下降，随着距离增加硬度降低，出现了明显的软化区，软化区宽度约为5.25 mm，软化区的出现主要是由于在焊接高温作用下发生了“过时效”. 从距焊缝中心13.8 mm开始，硬度呈上升趋势，随着距离增加显微硬度逐渐上升，到15.5 mm处恢复到母材硬度，母材硬度平均为89. 焊缝的平均硬度只有母材的72.4%，这是因为焊接过程中，熔池中的液体金属处于过热状态，Mg元素由于自身熔点较低导致其烧损比较严重，焊缝中的强化相大量消失，使得焊缝硬度比母材低. 因此，可以通过控制焊接热输入来降低熔池对母材的热影响，提高接头的力学性能.
2.3 疲劳性能分析
母材(BM)和焊接接头（WJ）的S-N曲线如图4所示. 横坐标
logN 为材料在疲劳试验中所承受的循环次数N对数化后所得到的数；纵坐标为logSa . 其中：应力幅Sa=(Smax−Smin)/2 ；圆形图标代表母材；正方形图标为焊接接头. 从图中可以看出母材的k值大于焊接接头的 强度系数k 值，说明随着应力水平的增加焊接接头疲劳寿命下降更快. 在1 × 107循环周次下，通过数据拟合可以算出焊接接头的疲劳强度极限为28.59 MPa，母材的疲劳强度极限为133.56 MPa，焊接接头的疲劳寿命只有母材的21.41%，造成该现象的原因是搭接接头机械性能较差，并且板与板之间还有缝隙，所以使得接头疲劳强度远小于母材疲劳强度.通过大量试验发现，焊接接头疲劳试样均断于焊缝区域，且大部分位于焊趾部位，如图5所示. 这说明焊缝内部存在的气孔和其余焊接缺陷在循环应力的加载下容易成为疲劳裂纹源，从而使得接头疲劳强度降低. 由于搭接接头的焊接结构存在不连续性，焊趾位置出现应力集中现象，从大部分断于焊趾位置可以推断，气孔的应力集中小于焊趾处.
2.4 疲劳断口分析
最大循环应力为30 MPa，循环次数为4 076 338次的焊接接头疲劳断口形貌如图6所示.
整个断口形貌，可大致分为疲劳源区、稳定扩展区、瞬断区3个部分. 疲劳源区的图像如图6（a）所示，稳定扩展区部分形貌如图6（b）至图6（e）所示，瞬断区部分形貌图如图6（f）和图（g）所示. 从图6（a）可以看到疲劳裂纹在疲劳源区最先出现，此时裂纹扩展速率最低，断口位置不断反复摩擦使得该区域粗糙度较小，为一个平整光滑的小区域，疲劳源区是疲劳损伤的起点且呈河流状向外扩展. 图6（b）和图6（c）都为疲劳裂纹稳定扩展第1阶段的形貌，图6（b）出现了类解理河流花样，图6（c）为解理台阶. 图6（d）为疲劳裂纹扩展第2阶段的形貌，出现了疲劳条带，条带方向垂直于裂纹扩展方向，由于其表面光滑、间距规则，所以为塑性疲劳条带. 图6（e）出现二次裂纹和大量撕裂棱，裂纹扩展传播路径呈“Z”字型，并且裂纹穿过部分撕裂棱. 图6（f）为疲劳断口瞬断区的韧窝特征，材料内部形成空洞，在滑移作用下空洞逐渐变大，与其他空洞聚集一起形成韧窝. 图6（g）为瞬断区的部分形貌，该区是由疲劳裂纹在经过裂纹扩展阶段以后，裂纹尺寸达到临界状态，剩余部分无法承受外加循环载荷而导致裂纹发生瞬时断裂所形成. 从上述特征可以说明，断口为韧性断裂和解理断裂的混合性断裂.
2.5 疲劳裂纹扩展机理
裂纹呈“Z”字型扩展，如图7所示. 通过建立“Z”字传播模型来研究疲劳裂纹扩展机理，如图8所示. 图8（a）为第1阶段，该阶段裂纹在没有应力状态下处于闭合状态；图8（b）为第2阶段，该阶段应力为拉应力且逐渐增大，裂纹沿45°方向开始扩展；图8（c）所示阶段裂纹受到的拉应力最大，尖端塑性变形最大，尖端被钝化，因此裂纹尖端会停止传播；图8（d）所示阶段的应力由拉应力变为压缩应力，裂纹扩展向相反的方向进行，裂纹尖端受到压缩应力，被压合形成耳状切口；当压缩应力达到最大的时候，裂纹又回到闭合状态，重新形成角尖并向前扩展了一段距离，如图8（e）所示. 反复重复这个过程，疲劳裂纹就会继续呈“Z”字型传播路径继续向前扩展.
3. 结 语
1）焊接接头熔合线边界附近出现柱状晶和包晶，焊缝区域中形成了等轴晶、雪花状晶体，焊缝表面出现气孔，热影响区晶粒发生粗化. 焊缝硬度为64.5，熔合区硬度最高达到91.4，接头出现明显软化区，母材硬度为89.6.
2）在1 × 107循环周次条件下，WJ和BM的疲劳极限分别为28.59 MPa和133.56 MPa，焊接接头疲劳断口为韧性断裂和解理断裂的混合性断裂，断口内出现二次裂纹和解理台阶.
3）在裂纹尖端钝化和加载应力循环下，裂纹沿45°方向呈“Z”字型扩展.
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图 2 6005铝合金MIG焊接接头微观组织
Figure 2. Microstructure of 6005 aluminum alloy MIG welded joint
表 1 6005铝合金和ER5356焊丝的化学成分
Table 1. Chemical composition of 6005 aluminum alloy and ER5356 welding wire
% 材料 Fe Cu Si Mn Mg Cr Zn Ti Al 6005 0.35 0.30 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 余量 ER5356 0.40 0.10 0.25 0.35 4.80 0.15 0.10 0.13 余量 
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表 2 焊接工艺参数
Table 2. Welding process parameters
焊接电流 / A 焊接电压 / V 焊接速度 / （mm·s−1） 气体流速 / （L·min−1） 160 21 5.0 20
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