气孔对铝合金焊接接头超长疲劳寿命的影响

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1、第35卷第11期焊接学报Vol．35No．112014年11月TＲANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONNovember2014气孔对铝合金焊接接头超长疲劳寿命的影响何超，崔仕明，刘永杰，王清远(四川大学能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室，成都610065)79摘要:采用超声疲劳试验方法对铝合金5052-H32焊接接头进行疲劳试验，研究其在超长寿命区间(10～10周次)的疲劳强度及失效机理．结果表明，相同疲劳寿命下焊接接头疲劳强度较母材下降了73．3%，在超高周疲劳区间仍然会发生疲劳破坏;断口

2、观察发现焊接缺陷(气孔)是诱发疲劳裂纹萌生的主要原因．为揭示焊接缺陷对焊接接头疲劳裂纹萌生及扩展的影响，采用有限元技术分析了气孔对应力集中系数和裂纹尖端应力强度因子的影响．最后讨论了焊接缺陷对疲劳寿命的影响机制及裂纹扩展特性．关键词:焊接接头;铝合金;超高周疲劳;气孔;应力强度因子中图分类号:O346．2;TG405文献标识码:A文章编号:0253－360X(2014)11－0018－050序言文中将对5052铝合金焊接接头的超高周疲劳寿命进行试验研究，探究其在低应力循环作用下的许多工程结构和机械部件(车轴、近海平台、桥疲劳失效机理;

3、利用有限元分析了气孔对孔边应力梁等)在其服役期内往往承受超过1×1010周次循环集中系统和裂纹尖端应力强度因子的影响，进而讨载荷的作用［1］，而焊接接头作为结构件广泛使用的论焊接缺陷诱发疲劳裂纹萌生的机制及裂纹扩展连接方式，由于其力学性能和组织的不均匀性经常特性．发生疲劳失效现象，成为结构使用过程中的疲劳危［2］71试验方法险点．因而常规疲劳试验(小于1×10周次)所获得的疲劳极限、疲劳强度等材料参数通常不能进行推广应用于低应力作用下的超长寿命疲劳设计．采用材料为铝合金5052-H32，力学性能及化学7因此，研究焊接接头超高周疲劳行为

4、(1×10～1×组成成分如表1和表2所示．采用钨极氩弧焊方法910周次)对于材料的安全使用具有重要意义．将两块厚度为5mm的平板进行对接，试样由对接超声疲劳试验系统的发展使材料的超高疲劳行平板焊缝处利用电火花线切割加工得到(图1a)，共为研究成为热点，对高强度钢、钛合金以及铝合金的振疲劳试验要求试样轴向一阶固有频率与系统相同［3，4］研究发现，通常材料不存在传统疲劳极限，低应(20kHz)，为此试样几何尺寸必须进行严格的计算，力循环荷载作用下同样会发生疲劳破坏．对于焊接为减小圆弧根部的应力集中效应，试样中间加入6［5］接头的超高周疲劳

5、问题，方冬慧等人发现桥梁钢mm的等截面段，具体尺寸如图1b所示，采用砂纸由焊接接头的超高周疲劳性能远低于母材;Yin等粗到细对试样表面逐级进行打磨，去除焊接余高，消［6］人发现超长寿命区间内低合金钢焊接接头存在疲除表面几何条件不均匀性对疲劳性能的影响，并且劳极限，超声冲击处理可以明显改善焊接接头的疲最后进行电解抛光，减少表面缺陷对疲劳裂纹萌生［7］劳性能;Zhu等人研究了高温下焊接接头的超高的影响．周疲劳行为，发现基体软化、表面氧化和残余应力是导致疲劳裂纹萌生的主要原因．目前已有的研究发表15052铝合金力学性能现焊接接头疲劳性能降低

6、主要由内部焊接缺陷所Table1Mechanicalpropertiesof5052-H32aluminium致，但缺陷(如气孔、微裂等)对疲劳裂纹萌生及扩alloy展机理的详细阐述仍不明确．弹性模量屈服强度抗拉强度维氏硬度断后伸长率E/GPaＲeL/MPaＲm/MPaHHV/MPaA(%)收稿日期:2013－04－2470．31952236412基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772125;10372064)第11期何超，等:气孔对铝合金焊接接头超长疲劳寿命的影响199表25052铝合金化学组成成分(质量分数，%)命同为1×

7、10周次时，焊接接头所能承受的最大加Table2Chemicalcompositionsof5052-H32aluminium载应力(40MPa)仅为母材(150MPa)的26．7%，焊alloy接接头超高周疲劳强度远低于母材，相似结论在AlCrCuFeMgMnSiZnQ235，Q345以及Ti-6Al-4V焊接接头的超高周疲劳［5］96．10．150．080．332．410．090．210．07试验中同样得以证实．因此在进行承受超长寿命结构及部件的设计时，焊接接头对整体疲劳性能的劣化影响应予以特别重视．图1超声疲劳试样设计Fig.1

8、Dimensionsoffatiguespecimen试验采用USF-2000超声疲劳试验系统，加载频图2铝合金母材及焊接接头疲劳试验数据率为20kHz，应力比Ｒ=－1．试验进行过程中，最高Fig.2Fatiguedat