5A06铝合金TIG焊搭接接头拉剪性能研究

李 刚，张海英，杨 俊，廖江海

(中国飞机强度研究所三室，陕西 西安 710065)

1 引 言

铝镁合金是在铝合金中添加一定的镁元素，在提高材料硬度的同时还能有效提高其防腐蚀性能，又称防锈铝合金，各行业都有大量应用[1，2]。其中，5A06铝镁合金以比强度高、抗疲劳、易成形、焊接性好等优点在飞机结构中的应用范围越来越广。比如，5A06铝镁合金油箱代替钢制油箱，可有效减轻结构重量，提高飞机的整体性能。同时，相对于传统的铆接、螺接等连接工艺，焊接连接的自动化程度高、密封性好。因此，随着焊接技术的不断发展成熟，工业界越来越关注5A06铝镁合金焊接技术及其接头性能。

国内外科研人员对铝合金焊接的研究主要集中在以下几个方面：焊接方法的应用、焊接接头的组织和性能、焊接过程的数值仿真[3，4]等。刘红伟[5]等研究了采用ER5356焊丝的5A06铝合金TIG焊接接头的组织和性能，得到的TIG焊接接头平均抗拉强度为305MPa，为母材的88%；和FSW焊接相比，TIG焊接接头的抗拉强度和疲劳强度略低。王琪明[6]等用同质焊丝对5A06合金进行TIG焊接，所研制的焊丝兼具高抗拉强度和疲劳强度，焊接接头抗拉强度最高达341MPa，断裂延伸率14.9%，较商用ER4043焊丝提高了32%和30.2%；2×106次循环次数对应95%存活率的疲劳强度特征值最高达44MPa，高出推荐值37%。陈艳斌[7]等研究了激光和电弧焊接条件下不同的焊接参数对5A06焊接接头组织和力学性能的影响，结果表明，焊接横截面的形状对其拉伸强度有较大影响，其中，“X”形焊接接头比其他的焊接接头拉伸强度更高，为母材强度的91%。曾涛[8]等对5A06铝合金进行活性TIG焊接，试验结果表明，活性TIG焊接接头的拉伸强度和显微硬度与常规TIG焊接相比均有一定的提高。高珊[9]等对5A06的TIG焊接接头进行了深冷处理，发现经深冷处理的焊接接头焊缝区的晶粒得到细化，组织更加致密，接头强度提高，力学性能得到改善。Lv[10]等研究了不同填充物对5A06和Ti6AL4V合金TIG焊接性能的影响，试验结果表明，采用AL-Cu-Zr填料的焊接要比采用纯铝填料的强度高。Li[11]等研究了预置填充粉的TIG焊接铝合金和镀锌钢的焊接接头的性能，试验结果表明，在焊接电流为16A的情况下，焊接接头的平均拉伸强度可以达到151MPa，其断裂类型属于韧性和脆性的混合模式。Zhang[12]等研究了TIG和MIG双面电弧焊焊接的5A06和Ti6AL4V的接头组织和强度，焊接接头的拉伸强度达到了250MPa，对比单面电弧焊接，其强度有了明显的提升。

铝合金焊接结构在实际使用中，可能受到拉伸、压缩、剪切、弯曲或者扭转等载荷。其中，拉伸和剪切是最常见的两种受载情况。因此，本文以5A06铝合金TIG焊接搭接接头为对象，分别设计了拉伸和剪切试验件，通过试验获取5A06铝合金搭接接头的拉伸和剪切力学性能，对比板材厚度对焊接性能的影响，并采用扫描电镜对试验件断口形貌进行了分析，为5A06铝镁合金TIG焊接结构设计和分析提供参考。

2 试验方法

2.1 试验件

焊接材料选取2mm、3mm和5mm厚的5A06铝合金板材，材料的化学成分如表1所示。

表1 试验件化学成分(质量分数)%

先用丙酮对板材进行清洗，然后采用钨极氩弧焊(TIG)工艺对其进行搭接焊。试板在焊后进行了去应力热处理。其中，拉伸试验件采用大板焊接，热处理后将试板切割加工成所设计的试样形式及尺寸。拉伸试验件和剪切试验件形式分别如图1、图2所示。试验件分组、尺寸及数量如表2所示，其中，分组编号的第一个数字，1表示拉伸，2表示剪切；第二和第三个数字是搭接板的厚度；第四个数字是试验件搭接区的宽度。

表2 试验件类别及尺寸

图1 拉伸试验件形式

图2 剪切试验件形式

2.2 力学性能试验

力学性能试验在instron 8803液压伺服试验机上进行。在试验件两端的夹持区垫与试验件同厚度的垫板，然后夹持在试验机夹头中。沿试验件轴向施加拉伸载荷。试验情况如图3所示。

试验参照GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，以1.5mm/min的速率加载至试验件破坏。试验过程中同步记录试验机夹头位移、载荷、应变，试验在室温环境下完成。

3 试验结果及分析

3.1 拉伸剪切性能试验结果

拉伸和剪切试验结果数据如表3所示。可以看出，在板宽相同的情况下，5A06铝合金TIG焊搭接接头的拉伸强度和剪切强度均随板厚增加而降低。在板厚相同的情况下，两种板宽的5mm厚拉伸试验件强度相当。对于2mm和3mm厚的试验件，20mm宽焊接接头的拉伸强度和剪切强度略高。5A06铝合金TIG焊搭接接头拉伸强度最高达母材[13]的67%，剪切强度最高达母材的73.5%。

表3 5A06搭接接头力学性能

续表

5A06铝合金TIG焊搭接接头的拉伸和剪切后的典型断裂试样照片分别如图4、图5所示。从图4和图5可以看出，断裂均发生在焊缝区域，且断裂形式均垂直于应力正向。

图4 拉伸后的宏观形貌

图5 剪切后的宏观形貌

3.2 试验断口形貌状态分析

为了对比5A06铝合金TIG焊搭接接头的不同焊接方式所获得的拉伸和剪切的断口处形貌特征，用Tescan钨灯丝扫描电子显微镜对每组的典型试验件共12件的断口进行了电镜扫描。其中，典型拉伸试验件断口形貌如图6所示，典型剪切试验件断口形貌如图7所示。可以看出，两种断口都是微小韧窝微孔聚集型断裂，宏观上呈灰色纤维状且具有显著的塑性变形，微观断口是密集的韧窝，说明焊接区具有良好的塑性。

图6 拉伸断口形貌

图7 剪切断口形貌

由两种断口形貌对比可以发现，拉伸断口存在大量的韧窝，在韧窝中心一般会有起裂过程中析出的第二相质点。剪切断口也存在大量的韧窝，但是其韧窝的方向与力作用方向一致，为拉长的斜韧窝。与拉伸断口不同的地方在于除了断口有韧窝，还掺有一些解理形式的小平面，其在本试验中具体表现为河流花样，这些河流的源头是裂纹的起始，流向是裂纹扩展方向，但是其断面略有起伏且不连续。剪切试验件断口的韧窝相对较少且有解理形貌，这说明剪切受载情况下塑性变形相对较小，与试验结果一致。

4 结 论

本文通过试验获得了5A06铝合金TIG焊搭接接头的拉伸和剪切力学性能，对比了接头性能随接头厚度和宽度的变化，结合微观断口形貌分析，可以得到以下结论：

(1)5A06铝合金TIG焊搭接接头的拉伸强度和剪切强度随着厚度增加明显降低。

(2)除5mm厚拉伸试验件外，20mm宽试验件的拉伸强度和剪切强度均略高于40mm宽试验件。

(3)拉伸和剪切试验件均断裂于焊缝处。拉伸试验件断口中呈现大量的韧窝，表明焊缝处有良好的韧性。由于剪切加载情况下试验件塑性变形小，剪切试验件断口中存在韧窝和解理两种混合形式的形貌。