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家重點實驗室 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，鋁合金越來越多地取代鋼材。由于船舶在海洋運輸過程中常遇到海浪、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船舶的安全服役具有重要意義。有報道表明，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復(fù)雜的服役環(huán)境，需要提高焊接接頭的強度。

到目前為止，電弧焊仍然是海洋級鋁合金結(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，裂紋常在有缺陷的地方萌生和擴展[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)測精度較高的低周疲勞壽命關(guān)系式，對高鎂鋁合金焊接結(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 試驗材料和步驟

焊接母材為A l-6.2 M g鋁鎂合金，抗拉強度3 6 5 M P a，屈服強度2 7 8 M P a，試板尺寸為450mm×300mm×8mm。焊絲采用進口焊絲和自制焊絲，進口焊絲牌號為GOST7871-75（俄羅斯），記作S1；自制焊絲在進口焊絲成分基礎(chǔ)上添加了質(zhì)量分數(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)成分見表1。焊機型號為Fronius VR4000，采用脈沖焊，雙V形坡口，試驗用焊接參數(shù)見表2。

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

表2 試驗用焊接參數(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。低周疲勞試驗在液壓伺服810M T S試驗機上進行，應(yīng)變引伸計型號為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，測試期間用計算機采集試驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果

S1、S2和S3焊接接頭的低周疲勞試驗結(jié)果見表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為：Nf（S2）>Nf（S3）>Nf（S1），這說明使用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

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)強度系數(shù)（MPa）。根據(jù)表3中的試驗結(jié)果，通過數(shù)據(jù)擬合可得出焊接接頭對應(yīng)的材料疲勞參數(shù)，見表4?？紤]平均應(yīng)力的影響，相關(guān)文獻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]。這些模型的表達式見表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]

為對比疲勞壽命模型的預(yù)測精度，以S1焊接接頭為例，使用4種模型進行擬合，得出模型關(guān)系式，見表6。將模型預(yù)測疲勞壽命值與試驗數(shù)值進行對比，R2為相關(guān)系數(shù)，是表明試驗數(shù)據(jù)與擬合參數(shù)之間的接近程度，R2越接近于1，說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達到了0.9以上。幾種低周疲勞壽命模型的預(yù)測效果對比如圖2所示，其中Morrow模型有60%的數(shù)據(jù)點在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)點在1.5倍公差帶以內(nèi)，Morrow模型有一點偏離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)點在1.5倍公差帶以內(nèi)，且所有預(yù)測壽命值都處于2倍公差帶內(nèi)，說明SWT模型與修正能量疲勞模型的預(yù)測效果優(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算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

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算S2和S3焊接接頭的低周疲勞壽命預(yù)測關(guān)系式，計算結(jié)果見表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)測值與試驗壽命對比如圖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。

圖3 S2和S3樣品疲勞壽命計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

表7 S2和S3樣品疲勞壽命模型擬合關(guān)系式

現(xiàn)對3組焊接接頭進行其他應(yīng)變比的壽命預(yù)測，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%，通過式（2）計算得出應(yīng)力幅值，預(yù)測結(jié)果如圖4所示。預(yù)測結(jié)果表明，在Δεt≥0.6%時，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)測結(jié)果

4 結(jié)束語

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

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