劉宇瀟，閆文青，陳旭，劉毅

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430081

1 序言

隨著海洋船舶的輕量化和高速化發(fā)展，鋁合金越來(lái)越多地取代鋼材。由于船舶在海洋運(yùn)輸過(guò)程中常遇到海浪、風(fēng)暴等的往復(fù)拍擊[1]，因此要求船體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的疲勞性能，尤其是了解焊接接頭的低周疲勞壽命對(duì)船舶的安全服役具有重要意義。有報(bào)道表明，5083鋁鎂合金焊接熱影響區(qū)的軟化降低了焊接結(jié)構(gòu)在惡劣疲勞載荷下的使用壽命[2]。為了使船只能夠面對(duì)復(fù)雜的服役環(huán)境，需要提高焊接接頭的強(qiáng)度。

到目前為止，電弧焊仍然是海洋級(jí)鋁合金結(jié)構(gòu)焊接常用的方法，但是由于鋁合金具有高熱導(dǎo)率，高溫下氫溶解度大，電弧焊過(guò)程中焊縫中易產(chǎn)生凝固收縮、氣孔等缺陷，焊接接頭經(jīng)受疲勞載荷時(shí)，裂紋常在有缺陷的地方萌生和擴(kuò)展[3]，因此分析電弧焊焊接接頭的疲勞壽命非常必要。本文對(duì)比了不同焊絲條件下鋁鎂合金MIG焊接頭的低周疲勞壽命，并建立了預(yù)測(cè)精度較高的低周疲勞壽命關(guān)系式，對(duì)高鎂鋁合金焊接結(jié)構(gòu)在經(jīng)受大應(yīng)變低周疲勞循環(huán)條件下的服役具有理論指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)材料和步驟

焊接母材為A l-6.2 M g鋁鎂合金，抗拉強(qiáng)度3 6 5 M P a，屈服強(qiáng)度2 7 8 M P a，試板尺寸為450mm×300mm×8mm。焊絲采用進(jìn)口焊絲和自制焊絲，進(jìn)口焊絲牌號(hào)為GOST7871-75（俄羅斯），記作S1；自制焊絲在進(jìn)口焊絲成分基礎(chǔ)上添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%Ti和0.3%Er元素，分別記作S2和S3。焊絲直徑為1.2mm，母材和焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊機(jī)型號(hào)為Fronius VR4000，采用脈沖焊，雙V形坡口，試驗(yàn)用焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)用焊接參數(shù)

焊后沿著垂直于焊縫方向切取疲勞試樣，試樣的工作直徑為4.0m m。低周疲勞試驗(yàn)在液壓伺服810M T S試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變引伸計(jì)型號(hào)為M T S634.12F-24?？刂茟?yīng)變比為0.1，應(yīng)變率為4×10-3s-1，采用正玄波加載直到試樣斷裂，測(cè)試期間用計(jì)算機(jī)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

S1、S2和S3焊接接頭的低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。Δεt/2為應(yīng)變幅，Δεe/2為彈性應(yīng)變幅，Δεp/2為塑性應(yīng)變幅，σmax、σmin、σm分別為循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)下的最大應(yīng)力值、最小應(yīng)力值及平均應(yīng)力值。

表3 低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3組焊接接頭低周疲勞壽命（Nf）與外加總應(yīng)變幅（Δεt）之間的關(guān)系曲線如圖1所示。從圖1中可看出，焊接接頭的低周疲勞壽命隨總應(yīng)變幅的增加而降低；而在相同的總應(yīng)變幅下，低周疲勞壽命大小順序?yàn)椋篘f（S2）>Nf（S3）>Nf（S1），這說(shuō)明使用Ti、Er微合金化焊絲可以提高Al-6.2Mg鋁鎂合金焊接接頭的低周疲勞壽命。

圖1 焊接接頭低周疲勞壽命與應(yīng)變幅關(guān)系曲線

3.2 低周疲勞壽命模型分析及壽命預(yù)測(cè)

在低周疲勞加載條件下，彈性應(yīng)變幅與塑性應(yīng)變和疲勞壽命的關(guān)系符合Coffin-Manson公式[4]，即

b——疲勞強(qiáng)度指數(shù)；

2Nf——在載荷反向次數(shù)；

E——楊氏模量（GPa）；

c——疲勞延性指數(shù)。

材料的循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為

式中 Δσ——應(yīng)力范圍（MPa）；

n'——循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)；

K'——循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)（MPa）。根據(jù)表3中的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可得出焊接接頭對(duì)應(yīng)的材料疲勞參數(shù)，見(jiàn)表4。考慮平均應(yīng)力的影響，相關(guān)文獻(xiàn)提出了幾種疲勞壽命模型，如SWT模型[5]、能量疲勞壽命模型[6]、Morrow模型和修正能量疲勞模型[7]。這些模型的表達(dá)式見(jiàn)表5。

表4 樣品的材料疲勞參數(shù)

表5 平均應(yīng)力條件的低周疲勞壽命模型[5-7]

為對(duì)比疲勞壽命模型的預(yù)測(cè)精度，以S1焊接接頭為例，使用4種模型進(jìn)行擬合，得出模型關(guān)系式，見(jiàn)表6。將模型預(yù)測(cè)疲勞壽命值與試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，R2為相關(guān)系數(shù)，是表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合參數(shù)之間的接近程度，R2越接近于1，說(shuō)明公式的可信度越高。結(jié)果顯示，SWT模型與修正能量疲勞壽命模型的R2達(dá)到了0.9以上。幾種低周疲勞壽命模型的預(yù)測(cè)效果對(duì)比如圖2所示，其中Morrow模型有60%的數(shù)據(jù)點(diǎn)在1.5倍公差帶以內(nèi)，能量疲勞壽命模型只有20%的數(shù)據(jù)點(diǎn)在1.5倍公差帶以內(nèi)，Morrow模型有一點(diǎn)偏離2倍公差帶。SWT模型與修正能量疲勞壽命模型中有80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)在1.5倍公差帶以內(nèi)，且所有預(yù)測(cè)壽命值都處于2倍公差帶內(nèi)，說(shuō)明SWT模型與修正能量疲勞模型的預(yù)測(cè)效果優(yōu)于Morrow模型和能量疲勞壽命模型。因此，可以使用SWT公式與修正能量疲勞壽命公式預(yù)測(cè)任意應(yīng)變比下的疲勞壽命，只需要提供穩(wěn)定平均應(yīng)力的數(shù)據(jù)，就可以預(yù)測(cè)出給定應(yīng)變幅下的疲勞壽命。

圖2 S1焊接接頭疲勞壽命計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表6 S1焊接接頭低周疲勞壽命模型擬合關(guān)系式

根據(jù)SWT和修正能量疲勞壽命模型計(jì)算S2和S3焊接接頭的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)關(guān)系式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，SWT模型與修正能量疲勞壽命模型的R2都達(dá)到了0.9以上，可信度較高。SWT模型與修正能量疲勞壽命模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)壽命對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，S2使用兩種低周疲勞壽命模型的預(yù)測(cè)值都處于1.5倍公差帶內(nèi)，S3也有80%的數(shù)據(jù)處于1.5倍公差帶內(nèi)，兩種模型的預(yù)測(cè)值都在2倍公差帶內(nèi)。結(jié)合圖2可得，SWT模型與修正能量疲勞壽命模型非常適用于Al-6.2Mg合金焊接接頭的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)。

圖3 S2和S3樣品疲勞壽命計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表7 S2和S3樣品疲勞壽命模型擬合關(guān)系式

現(xiàn)對(duì)3組焊接接頭進(jìn)行其他應(yīng)變比的壽命預(yù)測(cè)，由于平均應(yīng)力的影響，現(xiàn)在將平均應(yīng)力去除，使用相應(yīng)的最優(yōu)疲勞壽命模型，即SWT模型與修正的能量疲勞壽命模型，預(yù)測(cè)完全可逆循環(huán)（R=-1）條件下的低周疲勞壽命，外加應(yīng)變幅為0.6%～2.2%，通過(guò)式（2）計(jì)算得出應(yīng)力幅值，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在Δεt≥0.6%時(shí)，低周疲勞壽命大小順序仍為：Nf（S2）>Nf（S3）>Nf（S1）。

圖4 SWT和修正能量疲勞壽命模型預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

1）試驗(yàn)條件下，當(dāng)應(yīng)變比R=0.1時(shí)，給定應(yīng)變幅下三組焊接接頭的低周疲勞壽命大小順序?yàn)椋篘f（S2）>Nf（S3）>Nf（S1）。

2）理論計(jì)算表明，SWT和修正能量低周疲勞壽命模型的預(yù)測(cè)精度較高，相關(guān)系數(shù)R2>0.95，給出了計(jì)算3組焊接接頭低周疲勞壽命的關(guān)系式。