5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析
2020-06-09
来源:乌哈旅游
5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析 27 5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析 Failure Analysis of 5 A0 6 Aluminum Alloy Welding Joint Crack 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) ZHANG Hong—xia,LIU Xiao—qing,YAN Zhi—feng,WANG Wen—xian,LI Yong—lian (College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China) 摘要:针对5A06铝合金焊缝附近出现的裂纹进行了分析。5A06铝合金母材、焊缝及热影响区组织分析结果表明,材料 成型后的组织不均匀,并且存在夹杂物,晶内和晶界有析出相出现。采用光学显微镜对裂纹的扩展特征进行分析,结果 表明,裂纹在材料边缘夹杂物处启裂,以沿晶的特征进行扩展。采用SEM对断口进行微观和宏观分析,断口中存在二次 裂纹,断口为脆性断裂。 关键词:5A06铝合金;二次裂纹;脆性断裂;沿晶断裂 doi:10.3969/j.issn.1001—4381.2013.03.006 中图分类号:TG146.21 文献标识码:A 文章编号:1001—4381(2013)03—0027-05 Abstract:The cracks near 5A06 aluminum alloy welding joint are analyzed.The metallurgical struc— ture of base metal,welding joint and heat-affected zone are analyzed and the results indicate that or- ganization is uneven and there is inclusion in the aluminum alloy,the precipitates are found in grain in— ner and boundary.The crack propagation character are analyzed and the results indicate that the crack originates from the inclusion of the specimen edge,and crack propagation along the grain boundary. Micro—fracture and macro fracture are analyzed by SEM and found that there are secondary cracks in the fracture,and the fracture was brittle fracture. Key words:5A06 aluminum alloy;secondary crack;brittle fracture;intergranular fracture 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 机口 ]、地铁轻轨及需严格防火的压力容器等得到了 广泛应用L3]。5A06铝合金为A1-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 ], 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L6],这些问题的存在对结构或产品的安全 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。 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 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 5 AO6 aluminum alloy 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 叩等进行了分析研究。 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_1 ,但使用一段时间后由于力、 (mass fraction/ ) 5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析 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_】 H],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 31 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。C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。 参考文献 [1]林钢,林慧国,赵玉涛.铝合金应用手册I-M].北京:机械工业出 版社,2006. E2]ZHAO Tian—wen,JIANG Yan—yao.Fatigue of 7075一T651 alumi mum alloy[J].International Journal of Fatigue,2008,30:834— 849. [3]HE Zhu—bin,FAN Xiao—bo,XU Yong—chao,et a1.Investigation on the formability of 5A06 sheet for rapid gas forming[J].Rare Metal Materials and Engineering,2011,40(S3):144—147. [4]彭非,楚浩,杨兵.5A06铝合金油箱氩弧焊热影响区裂纹分析 及预防措施[J].电焊机,2007,37(7):34—37. PENG Fei,CHU Hao,YANG Bing.Analysis and preventive of fracture in 5A06 aluminium alloy fuel tank with manual TIG welding technology[J].Electric Welding Machine,2007,37(7): 34—37. Es3方昆凡.工程材料手册一有色金属材料卷[M].北京:北京出版 社,2000.50—75. [63都宏海,郭建明,张先龙,等.5A06铝镁合金管的焊接[J].焊 管,2011,34(12):36—38. DU Hong—hai,GUO Jian—ming,ZHANG Xian—long,et a1.5A06 aluminium—magnesium alloy pipe welding[J].welded Pipe and Tube,2011,34(12):36—38. [73刘红伟,王法科,王冬生,等.5A06铝合金焊接接头性能研究 EJ].兵器材料科学与工程,2009,32(2):72 75. LIU Hong—wei,WANG Fa—ke,WANG Dong—sheng,et a1.Re— search on welding joint properties of 5A06 aluminum alloy[J]. Ordnance Material Science and Engineering,2009,32(2):72— 75. [8]蹇海根,姜锋,郑秀嫒,等.航空用高强高韧铝合金疲劳断口特 征的研究口].航空材料学报,2010,30(4):97—102 JIAN Hai—gen,JIANG Feng,ZHENG Xiu—yuan,et a1.Study on fatigue fractography of high strength and toughness aluminum al— ioy for aviation[J].Journal of Aeronautical Materials,2010,30 (4):97—1O2. [9]UENO Akira,MIYAKAWA Susumu,YAMADA Koji,et a1.Fa— tigue behavior of die casting aluminum alloys in air and vacuum 口].Proeedia Engineering,2009,(2):1937—1 943. [1o]李占明,朱有利,辛毅.超声冲击处理对2A12铝合金焊接接头 疲劳性能的影响[J].航空材料学报,2011,31(2):28—32. (下转第37页) 分流模挤压非对称断面铝型材有限元数值模拟分析 37 System Simulation,2008,20(24):6603—6608. 温度场分布、焊合阶段模具的受力情况等提供了一种 新的计算分析方法。 (3)可预测非对称断面空心型材挤压模具结构的 合理性及挤出型材质量,从而为此类型材的分流模挤 压模具结构与尺寸的合理设计及实际生产提供参考。 (4)焊合面网格重构技术目前存在的主要问题 为,满足焊合面重构准则的焊合面网格模型提取及 修复过程皆为人工干预,对于焊合面较多的型材时, 修复过程耗时较长。为此以后工作需要对修复过程 进行程序开发,完成焊合面的自动修复重构,从而提 高计算效率。 参考文献 Eli村上哲.7',L, = 厶 合金押出材E加工技衍EJ].塑性 加 工,2008,49(567):25—30. MURAKAMI S.Adoption of aluminum extrusion and its technol— [7]邸利青,张士宏.分流组合模挤压过程数值模拟及模具优化设计 [J].塑性工程学报,2009,16(2):123—127. DI L Q,ZHANG S H.Porthole die extrusion process numerical simulation and optimal die design[J].Journal of Plasticity Engi— neering,2009,16(2):123—127. [8]JUNG M L,BYUNG M K,CHUNG G K.Effects of chamber shapes of porthole die on elastic deformation and extrusion process in condenser tube extrusion[J].Materials and Design,2005,26 (4):327—336. [93 LI L,ZHANG H,ZHOU J.Numerical and experimental study on the extrusion through a porthole die to produce a hollow mag— nesium profile with longitudinal weld seams[J].Materials and Design,2008,29(6):1190—1198. [103 wu x H,ZHAO G Q,LUAN Y G,et a1.Numerical simula— tion and die structure optimization of an aluminum rectangular hollow pipe extrusion process[J].Materials Science and Engi— neering A,2006,435(5):266—274. [11]YANG D Y,KIM K J.Design of processes and products through simulation of three—dimensional extrusion[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,191(1—3):2—6. ogy[J].Journal of the Japan Society for Technology of Plasticity, 2008,49(567):25—30. E2]谢建新,刘静安.金属挤压理论与技术EM],北京:冶金工业出版 社,2001. [12]谢建新,黄东男,李静媛,等.一种空心型材分流模挤压焊合过程 数值模拟技术[P].中国专利:CN 101604350A,2009—12—16. [13]黄东男,李静嫒,张志豪,等.方形管分流模双孔挤压过程中金属 的流动行为[J].中国有色金属学报,2010,20(3):487—495. HUANG D N,LI J Y,ZHANG Z H,et a1.The metal flowing behaviors during the diplopore extrusion of square tube by a [33 XIE J X,MURAKAMI T,IKEDA K.Experimental simulation of metal flow in porthole-die extrusion[J].Journal of Materials Processing Technology,1995,49(1—2):l~11. [4]JO H H,LEE S K,JUNG S C.A non—steady state FE analysis of AI tubes hot extrusion by a porthole die[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,173(2):223—23I. porthole die[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2O10。20(3):487—495. E5]LIU G,ZHOU J,DUSZCZYK J.FE analysis of metal flow and weld seam formation in a porthole die during the extrusion of a 基金项目:教育部重点实验室开放课题基金(KLAMP一1104);内蒙古工 业大学科学研究项目(2D201112) 收稿日期:2011—08-08;修订日期:2012—01—09 magnesium alloy into a square tube and the effect of ram speed on weld strength[J].Journal of Materials Processing Technology, 2008,200(1—3):185~198. 作者简介:黄东男(1979一),男,副教授,博士,研究方向为金属挤压理 E6]程磊,谢水生,黄国杰,等.分流组合模挤压过程的有限元分步模 拟EJ].系统仿真学报,2008,20(24):6603—6608. CHENG L,XIE S S,HUANG G J,et a1.Multi—stage finite ele— 论与工艺,联系地址:呼和浩特市新城区爱民街49号,内蒙古工业大学 材料科学与工程学院(010051),E—mail:dongnan一2000@163.corn ment simulation of porthole die extrusion process[J].Journal of 米米米来米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米 (上接第31页) LI Zhan—ming,ZHU You—li,XIN Yi.Influence of ultrasonic im— pact treatment on fatigue properties of 2A1 2 aluminum alloy [14]孙卫国,徐贺年,姜文举,等.改善5A06—0铝合金板材性能的 研究[J].轻合金加工技术,2006,34(12):26—28. SUN Wei—guo,XU He-nian,JIANG Wen—ju,et a1.Research a— welded joints[J].Journal of Aeronautical Materials,2011,31 (2):28—32. bout improving properties of 5A06—0 aluminium alloy sheet[J]. Light Alloy Fabrication Technology,2006,34(12):26—28. r 1 1] MALARVIZHI S,BALASUBRAMANIAN V.Effect of weld— ing processes on AA2219 aluminium alloy joint properties[J]. Transaction Nonferrous Metals Society China,2011,21(5): 基金项目:国家自然科学基金项目(51175364) 收稿日期:2012-04-01;修订日期:2012—11—12 作者简介:张红霞(1968一),女,博士,副教授,主要从事焊接结构失 962—973. 效及安全评定,材料连接及界面行为研究,联系地址:太原市迎泽西 大街79号,太原理工大学材料科学与工程学院(030024),E—mail: hongxzhang@1 63.corn [12] 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册一第3卷铝合 金镁合金[M].北京:中国标准出版社,2001. [13]侯学涛,王立君.5A06铝合金焊接结构件退火消应最佳温度的 确定[J].电焊机,2005,35(9):35—37. HOU Xue—tao,WANG Li—jun.Confirm optimum annealing tem— 通讯作者:李永莲(1960一),女,高级实验师,主要从事焊接结构失效及 安全评定,焊接工艺与设备研究。联系地址:太原市迎泽西大街79号, 太原理工大学材料科学与工程学院(030024),E-mail:liyonglian0916@ yahoo.corn.cn perature of 5A06 aluminium alloy[J].Electric Welding Ma— chine,2005。35(9):35—37.