5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析.pdf

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5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析1 5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析2 5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析3 5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析4 5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析5 5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析6
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5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析275A06铝合金焊接接头裂纹失效分析FailureAnalysisof5A06AluminumAlloyWeldingJointCrack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)—————ZHANGHongxia,LIUXiaoqing,YANZhifeng,WANGWenxian,LIYonglian(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,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.10014381.2013.03.006中图分类号:TG146.21文献标识码:A——文章编号:10014381(2013)030027-05—Abstract:Thecracksnear5A06aluminumalloyweldingjointareanalyzed.Themetallurgicalstructureofbasemetal,weldingjointandheat-affectedzoneareanalyzedandtheresultsindicatethator-—ganizationisunevenandthereisinclusioninthealuminumalloy,theprecipitatesarefoundingraininnerandboundary.Thecrackpropagationcharacterareanalyzedandtheresultsindicatethatthecrackoriginatesfromtheinclusionofthespecimenedge,andcrackpropagationalongthegrainboundary.—MicrofractureandmacrofractureareanalyzedbySEMandfoundthattherearesecondarycracksinthefracture,andthefracturewasbrittlefracture.Keywords:5A06aluminumalloy;secondarycrack;brittlefracture;intergranularfracture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、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15A06铝合金的化学成分(质量分数/%)Table1Chemicalcompositionsof5AO6aluminumalloy(massfraction/)5A06铝合金焊接接头裂纹失效分析313000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]ZHAOTianwen,JIANGYanyao.Fatigueof7075一T651alumi—mumalloy[J].InternationalJournalofFatigue,2008,30:834849.———[3]HEZhubin,FANXiaobo,XUYongchao,eta1.Investigationontheformabilityof5A06sheetforrapidgasforming[J].Rare—MetalMaterialsandEngineering,2011,40(S3):144147.[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):3437.PENGFei,CHUHao,YANGBing.Analysisandpreventiveoffracturein5A06aluminiumalloyfueltankwithmanualTIGweldingtechnology[J].ElectricWeldingMachine,2007,37(7):—3437.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,2000.5075.[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):3638.———DUHonghai,GUOJianming,ZHANGXianlong,eta1.5A06—aluminiummagnesiumalloypipewelding[J].weldedPipeand—Tube,2011,34(12):3638.[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):7275.————LIUHongwei,WANGFake,WANGDongsheng,eta1.Researchonweldingjointpropertiesof5A06aluminumalloy[J].—OrdnanceMaterialScienceandEngineering,2009,32(2):7275.[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):97102——JIANHaigen,JIANGFeng,ZHENGXiuyuan,eta1.Studyon—fatiguefractographyofhighstrengthandtoughnessaluminumalioyforaviation[J].JournalofAeronauticalMaterials,2010,30—(4):971O2.—[9]UENOAkira,MIYAKAWASusumu,YAMADAKoji,eta1.Fatiguebehaviorofdiecastingaluminumalloysinairandvacuum—口].ProeediaEngineering,2009,(2):19371943.[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):2832.(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):2530.—MURAKAMIS.Adoptionofaluminumextrusionanditstechnology[J].JournaloftheJapanSocietyforTechnologyofPlasticity,—2008,49(567):2530.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.[33XIEJX,MURAKAMIT,IKEDAK.Experimentalsimulationofmetalflowinporthole-dieextrusion[J].JournalofMaterials—ProcessingTechnology,1995,49(12):l~11.—[4]JOHH,LEESK,JUNGSC.AnonsteadystateFEanalysisofAItubeshotextrusionbyaporthole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