超声冲击处理对2A12铝合金焊接接头疲劳性能的影响

李占明， 朱有利， 辛 毅

(装甲兵工程学院装备再制造工程系，北京100072)

2A12铝合金具有优良的力学性能和加工性能，广泛应用于各种焊接结构件中［1］。目前，主要采用氩弧焊的方法对合金进行焊接，焊接工艺的固有特点，使得这些焊接接头和焊接热影响区多存在较大的残余拉应力和较多焊缝缺陷，在交变载荷的作用下极易萌生疲劳裂纹。有资料表明，铝合金焊接结构中90%的断裂是由承受重复性载荷的焊接接头引起的疲劳破坏［2］。因此，铝合金焊接接头的疲劳性能［3］已经受到设计及使用单位的普遍关注。研究铝合金焊接接头的疲劳断裂特性，分析产生疲劳断裂危害的因素，估算焊接接头的疲劳寿命，探索提高铝合金焊接接头疲劳性能的方法具有重要的实用价值。大量研究结果表明，超声冲击处理后，钢制焊接接头和结构疲劳性能得到显著改善［4，5］，但使用此方法改善铝合金焊接接头疲劳强度方面的研究很少［6］。本工作对超声冲击处理前后2A12高强度铝合金TIG焊对接接头的疲劳性能进行了测试，研究了超声冲击处理技术提高铝合金焊接接头疲劳性能的实际效果，通过接头微观组织形貌、残余应力和断口表面形貌分析研究了超声冲击处理提高铝合金焊接接头抗疲劳断裂性能的微观机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与方法

焊接基材为2A12铝合金板材，T4态，板厚4 mm。焊接用焊丝为 ER5356铝镁合金，直径2.5 mm。铝合金板材与焊丝的主要化学成分见表1。采用手工交流氩弧焊(TIG)进行无拘束双面焊接，焊后将试验板材平放于工作台上，利用ZJ-II型超声波冲击设备沿焊缝进行全覆盖超声冲击处理，进行3道次处理。超声冲击处理工作电流为0.8～1.0 A，超声振动频率20 kHz，静压力50 N。为进行对比试验分析，超声冲击只处理了焊缝长度方向的一半，另一半用作未处理试样。

1.2 疲劳试验方法

参考国标GB/T 12443—1990，采用PQ1-6型旋转疲劳试验机进行超声冲击处理前后试样的对比疲劳试验，载荷比R=-1，加载频率f=25 Hz，测定在给定载荷水平下试样的疲劳寿命并绘制S-N曲线。疲劳试验后，采用线切割将新鲜断口切下，在丙酮溶液中超声清洗约15 min，之后采用QUANTA200型扫描电镜观察超声冲击处理前后疲劳试样的断口形貌，分析超声冲击处理对疲劳裂纹萌生和扩展的影响。

表1 2A12铝合金和ER5356焊丝化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 2A12 aluminium alloy and ER5356 welding wire(mass fraction/%)

1.3 显微组织

将未处理和经超声冲击处理后的焊缝区域沿横向利用线切割制取试样，超声清洗后先用360#，600#，800#，1000#，1200#水砂纸粗磨，再进行机械抛光，并采用0.5%的氢氟酸水溶液(质量分数)浸蚀。使用Olympus PMG3金相显微镜观察焊缝显微组织。

1.4 残余应力

采用X-350A型X射线应力测定仪(XRD)测定了焊趾区残余应力沿深度方向的分布，靶材为CrKα，电压为25 kV，电流为7 mA，交相关法定峰。

2 试验结果与讨论

2.1 焊接接头的疲劳性能

在焊接接头试样的弯曲疲劳试验过程中发现，未处理焊接接头试样疲劳裂纹大多起源于焊趾部位，最后几乎全部沿熔合线断裂(图1a)，这是由于熔合区存在着严重的几何不连续性和化学、物理不均匀性，使该区成为焊接接头的一个薄弱区。超声冲击处理后焊接接头疲劳裂纹大多数在焊缝部位萌生扩展，最后断裂在焊缝部位(图1b)。这说明超声冲击处理使薄弱的焊趾处得到了有效的强化，但由于接头余高的存在，超声冲击处理后焊缝芯部未得到充分强化，仍有较大比例的焊接缺陷存在，这是造成处理后试样在焊缝中部断裂的主要原因。

图1 超声冲击处理前后焊接接头断裂位置(a)超声冲击前;(b)超声冲击后Fig.1 Fatigue fracture location of welded joint before and after UIT (a)before UIT;(b)after UIT

疲劳试验前初步估计对接接头的疲劳极限，在此基础上确定最大试验应力，进行疲劳试验得到对应的循环次数。对试验数据进行最小二乘法拟合，得到未处理和经超声冲击处理后的2A12高强度铝合金焊接接头的S-N疲劳曲线方程，如图2所示。从图中可以看出，随着应力水平的降低，焊接接头的循环次数显著增大。相同的疲劳循环次数，超声冲击处理后焊接接头试样的疲劳强度明显高于常规焊接接头试样。采用疲劳数据统计方法，拟合得到超声冲击处理前后2A12铝合金TIG焊接头疲劳曲线方程分别为σ=-20.766ln(N)+341.62和σ= -18.16ln(N)+319.57。通过计算可以获得对应2×106疲劳循环次数时，超声冲击处理后焊接接头的疲劳强度特征值为56.1MPa;而未处理焊接接头疲劳强度特征值为40.5MPa，疲劳强度提高了38.5%。此结果充分证明了超声冲击强化处理在提高材料的抗疲劳性能方面的作用。

图2 超声冲击处理前后2A12铝合金焊接接头弯曲疲劳曲线Fig.2 Fatigue curves of 2A12 aluminum alloy welded joints before and after UIT

2.2 疲劳断口分析

2.2.1 超声冲击处理对疲劳裂纹萌生的影响

图3a，b给出了未处理焊接接头典型的疲劳试样裂纹形核位置，结果表明：未进行冲击强化处理的2A12铝合金焊接接头疲劳试样，疲劳破坏大部分始于试样表面，并表现为多源特征。表面缺陷起着尖缺口的作用，容易形成应力集中，促使疲劳裂纹的形成。疲劳裂纹从这些缺陷处萌生，而后通过滑移、解理开始形核并向内部扩展。图3c，d是经超声冲击处理的铝合金焊接接头试样疲劳断口源区形貌。从图中可以看出，疲劳裂纹萌生于接头试样的次表面，裂纹源较少。试样外表存在一厚度约为80～100μm的强化层(箭头所指)，该层是接头试样表面经超声冲击强化处理所形成的表面组织致密层，该强化层能延缓或阻止滑移在表面的形成，使疲劳裂纹源下移;同时，冲击强化在试样表面形成压应力，也使得裂纹源下移，萌生在次表层的冶金缺陷处，从而延长试样的疲劳裂纹萌生寿命。

Fig.3 超声冲击处理前后疲劳裂纹源形貌 (a)，(b)未处理;(c)，(d)超声冲击处理Fig.3 Fatigue fractograph of welded joint before UIT (a)，(b)untreated;(c)，(d)UIT

2.2.2 超声冲击处理对接头疲劳裂纹扩展的影响

图4a是未经超声冲击处理接头试样在70 MPa循环载荷下疲劳裂纹扩展区疲劳条带的SEM照片;图4b是经超声冲击处理接头试样在75 MPa循环载荷下疲劳裂纹扩展区疲劳条带的SEM照片。通过比较可以看出，经过超声冲击处理后的疲劳试样断口疲劳条带明显细密，疲劳条纹间距约为2～3 μm。未经处理的试样疲劳条带较宽，间距约为5～6 μm。条带间距代表了每个应力循环疲劳裂纹向前扩展的距离。在应力条件相同时，条纹间距越小，裂纹的扩展速率相应就越小，材料疲劳裂纹扩展抗力大;条纹间距大，裂纹扩展速率也大，材料疲劳裂纹扩展抗力小［7］。超声冲击处理后，焊接接头试样疲劳裂纹扩展速率变小，这从微观上证明了超声冲击处理延缓了疲劳裂纹扩展速率。

2.2.3 疲劳裂纹瞬断区

图5a是未经超声冲击处理接头试样在70 MPa循环载荷下疲劳裂纹瞬断区韧窝花样的SEM照片;图5b是经超声冲击处理接头试样在75 MPa循环载荷下疲劳裂纹瞬断区韧窝花样的SEM照片。从图中可以看出，经超声冲击处理的接头试样，疲劳断口瞬断区的韧窝花样较为匀称、密集;而未经超声冲击处理的试样疲劳断口瞬断区韧窝花样相对稀松。

图4 超声冲击处理前后焊接接头疲劳裂纹扩展区形貌(a)未处理;(b)超声冲击处理Fig.4 Fatigue fractograph of welded joint before and after UIT (a)unthread;(b)UIT

2.3 组织形貌分析

图5 超声冲击处理前后焊接接头疲劳裂纹瞬断区形貌 (a)未处理;(b)超声冲击处理Fig.5 Fatigue fractograph of welded joint before and after UIT (a)unthread;(b)UIT

图6是未处理和经超声冲击处理的焊接接头熔合区的光学显微组织照片。可见，未处理的焊缝为铸造状态的树枝晶组织(图6a)，这种铸态组织晶粒粗大且不均匀、组织不致密，微观缺陷较多。粗大的枝晶形结构，弱化了晶界的连接，易于发生沿晶断裂，使接头的力学性能变差。超声冲击处理后，由于剧烈的塑性变形使焊缝区表层的显微组织发生了明显的变化，焊缝表面形成致密塑性变形层，该区内晶粒尺寸明显减小(图6b)，组织更加致密。晶粒越细小，越难造成裂纹形核所需要的应力集中，而且裂纹在不同取向的各个晶粒内传播也更困难。因此，由超声冲击处理所带来的晶粒细化不仅会使接头的屈服强度和硬度得到提高，还有利于改善焊接接头的抗疲劳性能。

图6 超声冲击处理前后焊缝区表层显微组织 (a)未处理;(b)超声冲击处理Fig.6 Surface microstructures of welded zone before and after UIT (a)untreated;(b)UIT

2.4 焊接残余应力

焊接残余应力是熔化焊接工艺难以避免的缺陷，其对焊接结构抗疲劳、脆断、应力腐蚀破坏以及屈服强度、尺寸稳定性都有很大影响。最大限度地降低或消除焊接残余应力，是焊接结构领域十分关注的一个重要问题。熔合区焊趾部位合金经剥层校正后残余应力测点位置和测试结果如图7所示，由图可见，焊趾部位的残余应力经超声冲击处理后，其平均值从3 MPa转变为-126 MPa，且最大压应力达到了-285MPa，压应力层的深度约为1.1mm。超声冲击处理可使焊接接头表层形成一定深度、数值较大的残余压应力，当表层承受外加交变载荷时，强化层内的残余压应力会降低外加交变载荷中的拉应力水平，从而可以提高疲劳裂纹萌生的临界应力水平。

图7 处理前后熔合区表层残余应力分布Fig.7 Distribution of residual stress of surface layer of fusion zone before and after UIT

经超声冲击处理后，在2A12铝合金焊接接头表面产生了一塑性变形层，形成了残余压应力［8］。表面残余压应力的存在，抵消了试样受载时表面的一部分拉应力，最大拉应力从试样的表面移向内部，使疲劳裂纹在表面难以形成，而在硬化层以下拉应力区的某一薄弱晶粒内产生。此时，疲劳源放出的位错将受到内外晶界的阻碍，而不像疲劳源在表面时，疲劳源放出的位错一端可以自由移出表面，这样开动新的位错就需要更大的驱动力。也就是说萌生内部疲劳裂纹的临界抗力要高于在表面萌生疲劳裂纹的临界抗力。同时，残余应力提高了裂纹的闭合力，抑制裂纹早期扩展，并使裂纹的扩展速率降低［9，10］，这就说明残余压应力的存在会提高疲劳寿命。同时硬化层内，由于组织发生塑性变形而形成了高位错密度的胞状结构，这个高位错密度的表面层能够有效地阻碍表面应变层底部的晶体在交变应力作用下向表层滑移，也进一步提高了材料的疲劳性能。

3 结论

(1)超声冲击处理使2A12高强度铝合金TIG焊对接接头疲劳强度由40.5MPa提高到56.1MPa，提高了38.5%。

(2)未处理的试样疲劳裂纹起始于试样表面，经超声冲击处理后试样的疲劳源转移至次表面，扩展区疲劳辉纹间距明显小于未处理试样。

(3)超声冲击处理可以使接头表层晶粒大幅细化、缺陷减少、组织更加致密，而且引入了最大约为-285MPa的残余压应力，有效地提高了接头的滑移形变抗力，抑制了疲劳裂纹的形核和扩展。

［1］周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接［M］.北京：机械工业出版社.2006.

［2］李敬勇，马建民.焊接工艺方法对6061-T6铝合金焊接接头疲劳性能的影响［J］.航空材料学报，2004，24 (3)：52-57.

［3］闾曙君，邢丽，柯黎明，等.2219铝合金搅拌摩擦焊焊接接头化疲劳性能［J］.失效分析与预防，2007，7(3)：20 -24.

［4］HUO Li-xing，WANG Dong-po，Zhang Yu-feng.Investigation of the fatigue behaviors of the welded joints treated by TIG dressing and ultrasonic peening under variable-amplitude load［J］.International Journal of Fatigue，2005，(27)：95-101.

［5］ROY S，FISHRT J W，YEN B T.Fatigue resistance of welded details enhanced by ultrasonic impact treatment (UIT) ［J］.International Journal of Fatigue，2003，(25)：1239-1247.

［6］王东坡，霍立兴，张玉凤，等.超声冲击法改善LF21铝合金焊接接头疲劳性能［J］.中国有色金属学报，2001，11(5)：754-759.

［7］查利R布鲁克斯.工程材料的失效分析［M］.北京：机械工业出版社.2003.

［8］李占明，朱有利，王侃，等.2A12铝合金焊接接头超声冲击强化机理分析［J］.焊接学报，2008，29(9)：55-58.

［9］何家文，胡奈赛，张定铨.残余应力集中及其对疲劳极限和短裂纹扩展的影响［J］.金属学报，1992，28(9)：A404-A408.

［10］何家文，胡奈赛，张定铨.残余应力对高周疲劳性能的影响［J］.西安交通大学学报，1992，26(3)：25-32.