5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析

张红霞，刘晓晴，闫志峰，王文先，李永莲

（太原理工大学 材料科学与工程学院，太原030024）

近年来，铝、镁等轻质合金由于其节约能源、减少废气排放等特点，在海事用途（如船舶）、汽车、飞机[1，2］、地铁轻轨及需严格防火的压力容器等得到了广泛应用[3］。5A06铝合金为 Al－Mg系防锈铝，具有较高的强度、腐蚀稳定性和良好的焊接性等特点[4，5］，是防锈铝合金中的典型合金。用其代替钢铁材料，可显著减轻构件的质量。

铝合金结构产品往往需要通过焊接加工成形，5A06铝合金的焊接特点主要为：与氧的亲和力大，焊接时生成一层难熔的氧化铝膜；线膨胀系数较大，易产生焊接变形；易造成氧化，产生气孔、热裂纹和接头不等强等问题[6］，这些问题的存在对结构或产品的安全性造成影响，一旦发生破坏事故，往往给人们的生命财产带来灾难性的损失。

国内相关研究者对铝合金的焊接性能[7］、铝合金疲劳断口及疲劳断裂行为[8－10］等进行了分析研究。研究发现采用适当的焊接方法，铝合金焊接接头的性能可以满足使用要求[11］，但使用一段时间后由于力、介质的作用会使结构失效。本工作针对5A06防锈铝合金某产品焊接后使用一段时间出现裂纹的原因进行分析，并对材料及焊接接头的组织、裂纹扩展特征以及断口等进行分析，找出裂纹产生的原因，提出相应防止裂纹产生的措施。

1 实验材料及焊接工艺

为了分析裂纹产生的原因，将产生裂纹的局部产品取样后进行分析。

1.1 实验材料

产品材料为5A06防锈铝合金，其化学成分[12］见表1，力学性能见表2。

表1 5A06铝合金的化学成分（质量分数／%）Table 1 Chemical compositions of 5A06aluminum alloy（mass fraction／%）

表2 5A06铝合金的力学性能Table 2 Mechanical property of 5A06aluminum alloy

1.2 焊接工艺

取样的结构由壳体和支柱通过焊接连接而成，焊缝结构示意图见图1。壳体材料为轧制成型的铝合金板，经过卷圆成型；支柱材料经热挤压成型后机械加工而成。

图1 试件装配、焊接及裂纹存在部位示意图Fig.1 Schematic diagram of assemble，welding and crack existence position

壳体与支柱通过焊接连接在一起，其中包括两条焊缝：如图1中的外部焊缝和内部焊缝，两焊缝均采用钨极氩弧焊进行焊接，焊接工艺为：外部焊缝开坡口后焊接，坡口角度35°，钝边1～2mm，将支柱装配到壳体对应孔上，点焊固定。用手工钨极氩弧焊打底，然后采用钨极氩弧焊进行焊接，焊接电流150～160A，电弧电压12～15V。焊缝余高3mm，焊后采用机械加工的方法去除余高并磨平。内部焊缝不开坡口，焊接电流140～150A，电弧电压12～15V。由于结构的影响，内部焊缝采取断续焊接，焊后也不做清理。焊后产品整体进行200℃退火处理。

由于壳体为圆筒状，与其配合的支柱面也加工成圆弧面，从而保证壳体和支柱配合较好。

2 结果分析

2.1 组织分析

2.1.1 壳体组织

对壳体材料的横截面和轧制面进行了组织分析，分析结果见图2。图2中可见壳体组织较细小，晶粒大小不很均匀，平均晶粒尺寸为5～20μm，并且材料中存在一些夹杂物。

2.1.2 支柱组织

支柱金相照片如图3所示，图3中可见支柱组织取向严重，沿挤压方向存在粗大的带状组织。

2.1.3 焊缝组织分析

对外部焊缝进行宏观观察，焊缝宏观照片如图4所示。图4（a）为外部焊缝的整体形貌，图4（b）为焊缝熔合区金相照片，图4（c）为焊缝组织照片，由图可以发现焊缝组织细小，较为均匀，热影响区组织较粗大，但组织比较均匀。

图4 试件焊缝金相照片 （a）焊缝全貌；（b）熔合区金相照片；（c）焊缝金相照片Fig.4 Microstructure of welded joint （a）the whole weld；（b）fusion zone；（c）weld center

2.2 裂纹分析

产品运行一段时间后，在外部焊缝附近出现两处裂纹，图1中所示为产生裂纹的部位示意图。裂纹1为横贯焊缝的长裂纹，裂纹2较短，其长度为从内孔边缘到达焊缝处。

2.2.1 宏观裂纹分析

对图1中右侧的裂纹2进行分析，裂纹的宏观扩展特征如图5所示。由图中可以发现支柱材料中心孔径缺陷处为裂纹源，裂纹扩展方向为由裂纹源向壳体方向发展，由图中还可以发现裂纹呈断续扩展，沿材料中的缺陷部位扩展，断续裂纹以二次裂纹为起裂点然后扩展。

图5 裂纹扩展方向Fig.5 Macro－crack propagation direction

2.2.2 微观裂纹分析

对裂纹的扩展特征进行微观分析，其结果如图6所示。

图6（a）为裂纹源，裂纹产生于支柱内部边缘缺陷处，在裂纹源处受到力的作用后开始扩展，裂纹沿晶界薄弱环节处向前扩展。

图6（b）～（d）为裂纹沿晶扩展照片，可以看出裂纹均为沿晶扩展特征，由此可以发现材料的晶界为薄弱环节，当裂源产生后，在应力的作用下，裂纹易沿晶界向前扩展。图6（e）可以发现母材晶界存在析出相，由以上分析可知晶界为材料的薄弱环节，再加上析出相的存在为裂纹扩展提供了有利条件；图6（f）可以发现材料中存在缺陷，在试件受到力的作用后，由于缺陷的存在，裂纹会在缺陷处产生并沿着晶界及缺陷的部位进行扩展。

由以上分析可知，裂纹起源于壳体材料中的缺陷处，然后在支柱材料中沿柱状组织的晶界扩展，裂纹扩展以沿晶特征为主。材料中的缺陷对裂纹的产生和扩展起到帮助作用。

2.3 断口分析

2.3.1 宏观断口分析

将试件沿裂纹1人为拉断，断口宏观照片如图7。

图7（a）中可见截面中大部分已断裂，壳体裂纹已通过外部焊缝，支柱裂纹已扩展至下部边缘。支柱断口存在大量的二次裂纹，见图7（b）。灰暗断口部位为实验时已断裂部位，较亮断口为人为断口。图中可见支柱断口中存在粗大的纤维状，断口粗糙，取向明显。壳体断口较细，焊缝及热影响区断口也均匀细致。

2.3.2 微观断口分析

采用LEO－438VP扫描电子显微镜对微观断口进行分析，结果如图8所示。

图8 断口微观照片 （a）壳体断口；（b）图8（a）放大；（c）支柱断口；（d）图8（c）放大；（e）人为断口照片；（f）图8（e）放大Fig.8 Micro－fracture photo （a）shell fracture；（b）partially enlarged for fig.8（a）；（c）pillar fracture；（d）partially enlarged for fig.8（c）；（e）artificial fracture；（f）partially enlarged for fig.8（e）

图8（a），（b）为壳体断口微观形貌，对其放大3000倍后发现，晶间存在大量的微观裂纹，结合强度较低，断面有腐蚀现象存在，这为裂纹的产生及扩展提供了有利条件。图8（c），（d）为支柱的微观断口形貌，由图中可见支柱断口为粗糙的柱状断口，存在二次裂纹，对其放大到200倍后，发现有介质腐蚀的腐蚀坑存在。图8（e），（f）为人为断口的微观形貌，断口中以韧性断裂为主，存在大量的撕裂韧窝，放大2000倍后发现晶界结合较好。

由宏观和微观断口分析可知，裂纹启裂于支柱内孔边缘夹杂物处，并沿径向扩展，粗大的支柱材料组织，晶间结合强度较低，为裂纹扩展提供了条件。介质的存在（海水）可能造成应力腐蚀。

3 裂纹产生原因

结合产品的特征以及以上实验结果，裂纹的产生主要是由于以下方面的原因造成。

3.1 材料组织的原因

对试件组织分析结果可知，壳体材料中存在缺陷，其存在为裂纹产生和扩展提供了前提；支柱组织取向严重，组织中存在大量的带状组织为裂纹扩展创造了条件。

3.2 应力集中

本产品中支柱所处部位特征决定了内部焊缝只能断续焊接，焊缝部位存在应力集中。由本产品的焊缝位置来看，裂纹均起源于焊缝端部，产生微裂纹后，在应力集中的作用下，引起裂纹的扩展。

本产品中支柱面加工成圆弧面与壳体的圆弧面相配合，但装配过程中，支柱圆弧面与壳体的圆弧面配合出现偏差，致使两部件配合间隙不均匀。造成两试件间距有较大的偏差，焊后产生较大的应力集中。

3.3 焊接残余应力

支柱与壳体焊接后，产品整体进行了200℃的退火处理，查阅相关资料[13，14］，5A06铝合金焊后进行退火的温度，在280～335℃进行完全退火，可以消除残余应力。因此，在300℃左右对结构件进行退火处理，能够使其内部的焊接残余应力得到充分释放，并且不会导致结构过度软化，退火处理后，有效保证了结构件的综合性能。因此，试件在焊接后进行的整体退火温度偏低未使焊接残余应力彻底释放也会引起裂纹的产生。

4 结论

（1）试件材料组织粗大，加工成型前应对材料进行晶粒细化处理，消除粗大及具有取向特征的组织。

（2）焊后进行整体回火处理的温度应适当提高，将目前的退火温度200℃提高到300℃左右，以细化支柱及壳体的组织，并且可以消除焊后残余应力。

（3）裂纹起源于外部焊缝附近夹杂物处，以沿晶的特征向前扩展。材料中存在的夹杂物及析出相使得裂纹沿夹杂物处扩展。

（4）由于内部环焊缝未完全焊接，造成试件各部分焊后变形受力不均匀造成残余应力，应尽量保证环焊缝完全焊接。

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