异种铝合金角接接头低周疲劳特性试验研究

张海阳 金 一 张 梅

(1.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804; 2.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

在汽车轻量化的发展形势下，铝制汽车构件由于比强度高、质量轻，在汽车工业中被广泛应用[1]。虽然铝合金的焊接有诸多难点，但由于其独特的性能，研究者在不断尝试优化焊接技术[2]。汽车行业主要采用焊接技术连接复杂构件，接头的疲劳性能决定构件的使用寿命[3]。角接接头是常用的焊接接头之一，但目前国内外鲜有对异种铝合金角接接头低周疲劳性能的研究报道。因此，本文对异种铝合金角接接头进行低周疲劳特性的试验研究具有重要的工程意义。

冷金属过渡焊(cold metal transition, CMT)是一种新型焊接技术，焊接过程中能将送丝与熔滴过程进行数字化协调控制，具有热量输入小、无起弧飞溅等优点，在铝钢焊接领域得到了广泛应用[4]。Gungor等[5]采用CMT技术实现了5083与6082异种铝合金的焊接，相比其他焊接方式如气体保护焊、搅拌摩擦焊等，CMT接头的抗拉强度更高。本文选用6082- A356两种常用的铝合金。6082为挤压热处理铝合金，其比强度高、成形性能好[6]；A356为传统的铸造铝合金，其流动性好，常用于汽车、航空航天工业的复杂铸件[7]。采用CMT技术将以上两种经T6处理的铝合金进行角接焊，再取样进行低周疲劳试验，以获得E-N曲线和低周疲劳寿命与应变幅之间的关系。

1 试验材料与方法

将尺寸为5 mm×200 mm×200 mm的T6态6082铝板和尺寸为15 mm×100 mm×150 mm的A356铝板进行冷金属过渡(CMT)角接焊， CMT焊接参数： 焊接电流/电压为265 A/19.5 V，焊接速度65 cm/min，送丝速度4.3 m/min，脉冲修正-0.2。

将焊后试样线切割加工成厚3 mm的疲劳试样，加工时确保焊缝处于疲劳试样的中心，如图1所示。根据GB/T 15248—2008[8]，采用轴向应变控制，保持频率1 Hz及应变比R=-1恒定，三角波加载，在MTS- 6730型电液伺服疲劳试验机上对试样进行应变幅为0.25%～0.40%的低周疲劳试验。

图1 角接接头低周疲劳试样

对焊后接头进行剖切，经打磨、抛光后，用体积分数为10%的NaOH溶液腐蚀，然后用焊接熔深分析仪检测焊缝熔深。采用102.5 mm×20 mm非标准拉伸试样，在Zwick/Roell Z100试验机上进行拉伸试验。用MH- 3 型硬度计测定熔合线两侧的显微硬度，试验力为250 g。

2 角接接头组织和性能

2.1 宏观形貌

角接接头宏观形貌见图2。焊缝熔深为3.1 mm，满足焊接工艺设定的熔深要求。

图2 角接接头宏观形貌

2.2 微观形貌

角接接头微观组织如图3所示，焊缝可分为3个区域，分别是热影响区、熔融区与焊缝。A356铝合金侧熔融区为共晶组织，热影响区显微组织与母材相似，均为α- Al基体。

图3 角接接头显微组织

2.3 拉伸性能及显微硬度

角接接头的拉伸试验结果表明，接头失效峰值载荷可达8.5 kN，断后伸长率可达4%。焊接接头试样断裂于焊址部位。

接头的焊缝、 焊缝两侧热影响区及母材的硬度如图4所示。其中热影响区由于晶界液化硬度较低。

图4 角接接头的显微硬度分布

试验结果表明：CMT焊接工艺得到的异种铝合金角接接头成形良好，缺陷较少，能满足技术要求。

3 角接接头低周疲劳特性

3.1 疲劳试验数据

表1 6082- A356角接接头疲劳试验数据

根据Coffin- Manson- Basquin公式(式(1)、式(2))，对表1中应变疲劳数据进行线性拟合。

(1)

(2)

式(1)与式(2)两边取对数，得到式(3)和式(4)。对式(3)、式(4)进行线性拟合，结果如图5所示。根据图5中拟合直线的斜率与截距，得到疲劳延性系数εf′、疲劳延性指数c、疲劳强度系数σf′、疲劳强度指数b。

(3)

(4)

在双对数坐标系中对塑性应变幅、弹性应变幅与寿命反复数的数据进行线性拟合，得到的应变疲劳参数如表2所示，总应变幅与寿命反复数之间的关系如式(5)所示。

表2 6082- A356角接接头的低周疲劳参数

(5)

图和拟合直线

3.2 应变- 疲劳曲线

将拟合得到的角接接头应变疲劳参数代入式(5)，得到应变- 寿命关系的预测方程见式(6)，拉伸试验得到的弹性模量E=6.85×104MPa。绘制应变- 寿命曲线如图6所示，虚线和实线分别为弹性应变幅、塑性应变幅对寿命反复数的拟合直线，曲线为总应变幅- 寿命反复数的预测曲线。从应变- 寿命曲线可以看出，随着应变幅的增大，疲劳寿命呈幂级数降低，并且在循环加载初期由塑性应变幅控制转变为在循环后期由弹性应变幅控制。

图6 Δεt、Δεe、Δεp-(2Nf)拟合曲线

(6)

由应变- 寿命曲线可见，根据Manson- Coffin- Basquin[10]方程拟合得到的曲线与真实数据之间的置信度较高，可用来指导材料使用寿命设计。

3.3 应变疲劳参数

将应变- 寿命曲线拟合相关的应力应变参数列入表3中。

表3 6082- A356角接接头疲劳应变- 寿命曲线参数

4 结论

(1)6082挤压铝合金与A356铸造铝合金的CMT焊角接接头的外观良好,缺陷较少，焊缝熔深和力学性能等均满足技术要求。

(2)根据Manson- Coffin- Basquin公式计算了角接接头的疲劳特性参数：疲劳强度系数σf′为425.4 MPa，疲劳强度指数b为-0.114；疲劳延性系数εf′为0.093，疲劳延性指数c为-0.707；循环强度系数K′为303，循环应变硬化指数n′为0.072。

(3)建立了该焊缝材料的低周疲劳寿命预测公式，为：