李 剛，張海英，楊 俊，廖江海

(中國飛機強度研究所三室，陜西 西安 710065)

1 引 言

鋁鎂合金是在鋁合金中添加一定的鎂元素，在提高材料硬度的同時還能有效提高其防腐蝕性能，又稱防銹鋁合金，各行業(yè)都有大量應用[1，2]。其中，5A06鋁鎂合金以比強度高、抗疲勞、易成形、焊接性好等優(yōu)點在飛機結構中的應用范圍越來越廣。比如，5A06鋁鎂合金油箱代替鋼制油箱，可有效減輕結構重量，提高飛機的整體性能。同時，相對于傳統的鉚接、螺接等連接工藝，焊接連接的自動化程度高、密封性好。因此，隨著焊接技術的不斷發(fā)展成熟，工業(yè)界越來越關注5A06鋁鎂合金焊接技術及其接頭性能。

國內外科研人員對鋁合金焊接的研究主要集中在以下幾個方面：焊接方法的應用、焊接接頭的組織和性能、焊接過程的數值仿真[3，4]等。劉紅偉[5]等研究了采用ER5356焊絲的5A06鋁合金TIG焊接接頭的組織和性能，得到的TIG焊接接頭平均抗拉強度為305MPa，為母材的88%；和FSW焊接相比，TIG焊接接頭的抗拉強度和疲勞強度略低。王琪明[6]等用同質焊絲對5A06合金進行TIG焊接，所研制的焊絲兼具高抗拉強度和疲勞強度，焊接接頭抗拉強度最高達341MPa，斷裂延伸率14.9%，較商用ER4043焊絲提高了32%和30.2%；2×106次循環(huán)次數對應95%存活率的疲勞強度特征值最高達44MPa，高出推薦值37%。陳艷斌[7]等研究了激光和電弧焊接條件下不同的焊接參數對5A06焊接接頭組織和力學性能的影響，結果表明，焊接橫截面的形狀對其拉伸強度有較大影響，其中，“X”形焊接接頭比其他的焊接接頭拉伸強度更高，為母材強度的91%。曾濤[8]等對5A06鋁合金進行活性TIG焊接，試驗結果表明，活性TIG焊接接頭的拉伸強度和顯微硬度與常規(guī)TIG焊接相比均有一定的提高。高珊[9]等對5A06的TIG焊接接頭進行了深冷處理，發(fā)現經深冷處理的焊接接頭焊縫區(qū)的晶粒得到細化，組織更加致密，接頭強度提高，力學性能得到改善。Lv[10]等研究了不同填充物對5A06和Ti6AL4V合金TIG焊接性能的影響，試驗結果表明，采用AL-Cu-Zr填料的焊接要比采用純鋁填料的強度高。Li[11]等研究了預置填充粉的TIG焊接鋁合金和鍍鋅鋼的焊接接頭的性能，試驗結果表明，在焊接電流為16A的情況下，焊接接頭的平均拉伸強度可以達到151MPa，其斷裂類型屬于韌性和脆性的混合模式。Zhang[12]等研究了TIG和MIG雙面電弧焊焊接的5A06和Ti6AL4V的接頭組織和強度，焊接接頭的拉伸強度達到了250MPa，對比單面電弧焊接，其強度有了明顯的提升。

鋁合金焊接結構在實際使用中，可能受到拉伸、壓縮、剪切、彎曲或者扭轉等載荷。其中，拉伸和剪切是最常見的兩種受載情況。因此，本文以5A06鋁合金TIG焊接搭接接頭為對象，分別設計了拉伸和剪切試驗件，通過試驗獲取5A06鋁合金搭接接頭的拉伸和剪切力學性能，對比板材厚度對焊接性能的影響，并采用掃描電鏡對試驗件斷口形貌進行了分析，為5A06鋁鎂合金TIG焊接結構設計和分析提供參考。

2 試驗方法

2.1 試驗件

焊接材料選取2mm、3mm和5mm厚的5A06鋁合金板材，材料的化學成分如表1所示。

表1 試驗件化學成分(質量分數)%

先用丙酮對板材進行清洗，然后采用鎢極氬弧焊(TIG)工藝對其進行搭接焊。試板在焊后進行了去應力熱處理。其中，拉伸試驗件采用大板焊接，熱處理后將試板切割加工成所設計的試樣形式及尺寸。拉伸試驗件和剪切試驗件形式分別如圖1、圖2所示。試驗件分組、尺寸及數量如表2所示，其中，分組編號的第一個數字，1表示拉伸，2表示剪切；第二和第三個數字是搭接板的厚度；第四個數字是試驗件搭接區(qū)的寬度。

表2 試驗件類別及尺寸

圖1 拉伸試驗件形式

圖2 剪切試驗件形式

2.2 力學性能試驗

力學性能試驗在instron 8803液壓伺服試驗機上進行。在試驗件兩端的夾持區(qū)墊與試驗件同厚度的墊板，然后夾持在試驗機夾頭中。沿試驗件軸向施加拉伸載荷。試驗情況如圖3所示。

試驗參照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，以1.5mm/min的速率加載至試驗件破壞。試驗過程中同步記錄試驗機夾頭位移、載荷、應變，試驗在室溫環(huán)境下完成。

3 試驗結果及分析

3.1 拉伸剪切性能試驗結果

拉伸和剪切試驗結果數據如表3所示?？梢钥闯觯诎鍖捪嗤那闆r下，5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸強度和剪切強度均隨板厚增加而降低。在板厚相同的情況下，兩種板寬的5mm厚拉伸試驗件強度相當。對于2mm和3mm厚的試驗件，20mm寬焊接接頭的拉伸強度和剪切強度略高。5A06鋁合金TIG焊搭接接頭拉伸強度最高達母材[13]的67%，剪切強度最高達母材的73.5%。

表3 5A06搭接接頭力學性能

續(xù)表

5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸和剪切后的典型斷裂試樣照片分別如圖4、圖5所示。從圖4和圖5可以看出，斷裂均發(fā)生在焊縫區(qū)域，且斷裂形式均垂直于應力正向。

圖4 拉伸后的宏觀形貌

圖5 剪切后的宏觀形貌

3.2 試驗斷口形貌狀態(tài)分析

為了對比5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的不同焊接方式所獲得的拉伸和剪切的斷口處形貌特征，用Tescan鎢燈絲掃描電子顯微鏡對每組的典型試驗件共12件的斷口進行了電鏡掃描。其中，典型拉伸試驗件斷口形貌如圖6所示，典型剪切試驗件斷口形貌如圖7所示?？梢钥闯?，兩種斷口都是微小韌窩微孔聚集型斷裂，宏觀上呈灰色纖維狀且具有顯著的塑性變形，微觀斷口是密集的韌窩，說明焊接區(qū)具有良好的塑性。

圖6 拉伸斷口形貌

圖7 剪切斷口形貌

由兩種斷口形貌對比可以發(fā)現，拉伸斷口存在大量的韌窩，在韌窩中心一般會有起裂過程中析出的第二相質點。剪切斷口也存在大量的韌窩，但是其韌窩的方向與力作用方向一致，為拉長的斜韌窩。與拉伸斷口不同的地方在于除了斷口有韌窩，還摻有一些解理形式的小平面，其在本試驗中具體表現為河流花樣，這些河流的源頭是裂紋的起始，流向是裂紋擴展方向，但是其斷面略有起伏且不連續(xù)。剪切試驗件斷口的韌窩相對較少且有解理形貌，這說明剪切受載情況下塑性變形相對較小，與試驗結果一致。

4 結 論

本文通過試驗獲得了5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸和剪切力學性能，對比了接頭性能隨接頭厚度和寬度的變化，結合微觀斷口形貌分析，可以得到以下結論：

(1)5A06鋁合金TIG焊搭接接頭的拉伸強度和剪切強度隨著厚度增加明顯降低。

(2)除5mm厚拉伸試驗件外，20mm寬試驗件的拉伸強度和剪切強度均略高于40mm寬試驗件。

(3)拉伸和剪切試驗件均斷裂于焊縫處。拉伸試驗件斷口中呈現大量的韌窩，表明焊縫處有良好的韌性。由于剪切加載情況下試驗件塑性變形小，剪切試驗件斷口中存在韌窩和解理兩種混合形式的形貌。