A5083铝合金焊缝断裂韧度研究

何晓龙，曹春鹏，单清群

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

A5083铝合金焊缝断裂韧度研究

何晓龙，曹春鹏，单清群

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

在焊道中添加铜丝，成功制造出含类裂纹缺陷的焊缝。采用尺寸敏感断裂抗力δm（8）表征断裂韧度大小。与标准焊缝进行对比分析，含类裂纹缺陷的焊缝断裂韧度均值较低，为0.061mm，小于标准焊缝断裂韧度均值0.127mm，焊缝内残余铜丝是影响其数值较小的主要原因。

A5083铝合金；类裂纹缺陷；尺寸敏感断裂抗力

0 前言

A5083铝合金是非热处理强化铝合金，其成型、挤压性能优良，可焊性好，在高速列车车体上有重要的应用[1]，如端墙外板、司机室外板。高速列车用中厚板A5083铝合金采用多道MIG焊进行连接，熔焊过程中可能会导致接头性能的劣化[2-3]。断裂韧度作为评价金属及其接头性能的重要力学指标，研究焊缝的断裂韧度具有重要意义。

铝合金基材的断裂韧度研究[4-5]已经十分系统。对于不同焊接参数形成的焊缝而言，焊缝力学性能具有特异性，研究焊缝断裂韧性可加深对其综合力学性能的理解。在此对比分析正常焊接接头和制造类裂纹缺陷焊接接头，研究两种条件下性能的差异。

1 试验材料和方法

A5083铝合金的主要化学成分如表1所示。试板规格300 mm×60 mm×8 mm，采用两道MIG焊进行施焊，一对试板为正常焊接；另外一对试板在焊道中均匀加入细铜丝，制造类裂纹缺陷。

表1 A5083铝合金主要化学成分%

采用XXQ2505D-XK3.2型号X射线探伤仪检测接头结果，确保成功制造出类裂纹缺陷。设备分辨率200 μm，焦距700 mm，探伤电流4.5 mA，电压55 kV，曝光时间1.5 s。获得初始探伤图片后，利用系统图像处理软件对图像进行灰度调整和锐化处理，获得清晰的图片结果。

参照《GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法》进行接头拉伸试验，拉伸试件尺寸如图1所示。采用HVS-30维氏硬度计获得接头不同焊道的硬度分布曲线，焊缝内硬度点间隔0.5 mm，热影响区和母材间隔1.0 mm，加载力3 kN，保荷时间10 s。硬度点分布如图2所示。

图1 拉伸试样尺寸(单位：mm)

图2 硬度点分布

参照标准GB/T21143-2012《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》进行断裂韧度试验。对于A5083铝合金，裂纹扩展过程中可能会产生较大塑性，采用KIC表征此性能不太合理，因此考虑用尺寸敏感断裂抗力δm（8）表征断裂韧度的大小。试样尺寸如图3所示。

图3 断裂韧度试样尺寸(单位：mm)

2 结果分析

2.1 探伤结果

标准对接试板和添加铜丝对接试板的探伤结果如图4所示。标准试板焊缝中局部位置有少量气孔（见图4a），气孔是MIG焊焊接过程中不可避免的固有缺陷，只能尽量减少气孔的尺寸及含量。对接试板焊缝中存在大量的亮白色点状、条带状异质物（见图4b），该物质是残留或熔融的铜丝，可将其视为类裂纹缺陷，即焊接过程中成功制造出了预期缺陷。

图4 不同试板探伤结果

2.2 接头拉伸试验结果及硬度曲线

焊接接头拉伸结果和不同焊道的硬度分布曲线如图5所示。由图5a可知，拉伸试验接头断裂于焊缝处，抗拉强度为285 MPa，0.2%非比例延伸强度为150 MPa。断口边界线与基材呈45°断裂，为典型的剪切型断裂模式。结合图5b，硬度测试线1和硬度测试线2的焊缝硬度最低，与拉伸结果吻合，焊缝内硬度数值有微小波动。第一层焊缝（第二条焊道）硬度略低于第二层焊缝（第一条焊道），在焊接过程中，第一条焊道对第二条焊道有一定的预热作用，导致上述结果。热影响区硬度相对焊缝有一定程度提高，未出现明显的软化现象。母材硬度最大，硬度值趋于稳定，约为80 HV3。

2.3 断裂韧度表征

不同试板焊缝缺口张开位移结果如图6所示。标准焊接试板焊缝的三个平行试样结果吻合度非常高（见图6a），最大载荷对应的缺口位移平均值约为1.2 mm，而含类裂纹缺陷焊缝的三个平行试样的缺口张开位移曲线有一定的差异性（见图6b），这可能与焊接后残留铜丝分布的局部不均匀性相关。其中有两个平行试样最大载荷对应的缺口位移约为0.45 mm，第三个试样最大载荷对应的缺口位移约为0.75 mm。含类裂纹缺陷焊缝承受的最大载荷及最大载荷对应的缺口张开位移均小于标准焊接试板焊缝。

两种焊接试板焊缝的尺寸敏感断裂抗力如图7所示。标准板焊缝的尺寸敏感断裂抗力为0.118~ 0.140 mm，平均值0.127 mm；含类裂纹焊缝的尺寸敏感断裂抗力最小值0.048 mm，最大值0.083 mm，平均值0.061 mm。三个平行试样的结果均小于标准焊接试板，说明残余铜丝的存在会恶化焊缝的断裂韧度。焊缝内部存在大量的残留铜丝，其作为类裂纹缺陷，材料局部脆性增大，韧性降低，并且在类裂纹与基材的结合界面处有较大的应力集中，当裂纹前沿与残留铜丝交汇时会加速扩展，形成的断面粗糙度小，降低材料断裂韧度。分析不同试板断裂韧度结果的波动性，采用式（1）的变异系数进行评价，变异系数考虑了不同条件下结果均值的差异性。标准试板对接焊缝和含类裂纹焊缝的尺寸断裂敏感抗力值δm（8）的变异系数分别为0.091和0.314，含裂纹焊缝变异系数值，其对应数据的波动性更大。

标准焊缝、含类裂纹焊缝的典型断口形貌如图8所示。标准焊缝断口局部存在微孔（见图8a）。含类裂纹焊缝中存在明显的类裂纹缺陷（见图8b），其断口粗糙度小于标准焊缝。试样断口特征、探伤结果、断裂韧度结果相互印证。

图5 拉伸、硬度测试结果

图6 缺口张开位移结果

图7 不同焊缝的断裂韧度

3 结论

（1）标准焊接试板焊缝中有少量气孔，为MIG焊的本征缺陷；通过在焊道中添加铜丝，成功在焊缝中制造出类裂纹缺陷。

Research on fracture toughness of weld of A5083 aluminum alloy

HE Xiaolong，CAO Chunpeng，SHAN Qingqun
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

The experiments performed the crack-like defects via adding the copper silk in the welding bead.The index size sensitive fracture resistance δm(8)was utilized to characterized the fracture toughness.Comparative analysis was realized between the standard weld and the weld including crack-like defects.The fracture toughness of the weld including crack-like defects was lower than the standard weld，and the average values were 0.061 mm and 0.127 mm respectively.The existence of residual copper silk is the main reason for the lower value.

A5083 aluminum alloy；crack-like defect；size sensitive fracture resistance

TG457.14

A

1001－2303（2017）02－0107-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.21

2017-01-19

何晓龙（1976—），男，河北满城人，高级工程师，硕士，主要从事轨道车辆焊接质量控制及过程管理方面的工作。

献

何晓龙，曹春鹏，单清群.A5083铝合金焊缝断裂韧度研究[J].电焊机，2017，47（02）：107-109，118.