6082-T6铝合金激光-电弧混合焊接接头的高周疲劳行为与微观组织演变

《International Journal of Fatigue》：High cycle fatigue behavior and microstructure evolution of 6082-T6 aluminum alloy laser-arc hybrid welded joints

　　

摘要本研究调查了6082-T6铝合金激光-电弧混合焊接接头的高周疲劳行为和微观组织演变。结果表明，随着最大循环应力（σmax）的增加，焊接接头的疲劳寿命呈指数下降。晶粒取向从无序转变为区域性有序，晶界结构从无规状态演变为再结晶和重构状态，晶格畸变和位错密度逐渐增加。此外，随着σmax的增加，析出相表现出方向性粗化和合并，亚稳态Mg2Si相被剪切细化，而稳定的Al(Fe,Mn)Si相粗化为短棒状结构。Al(Fe,Mn)Si析出相与基体呈现非共格界面，可显著阻碍位错滑移，导致位错堆积。在高应力条件下（150 MPa），Mg2Si和Al(Fe,Mn)Si析出相交替分布，阻碍位错运动并形成位错缠结，这增加了应力集中并显著缩短疲劳寿命。引言铝合金因其低密度、高比强度和良好的耐腐蚀性，被广泛应用于汽车、铁路、造船和航空航天领域。其中，6082-T6铝合金因其优异的强度和耐腐蚀性，在建筑、交通、机械工程和电气设备中被广泛应用。6082-T6铝合金的关键连接方法是焊接，常用的焊接技术包括MIG焊、TIG焊、FSW焊和LAH焊。激光-电弧混合焊是一种结合两种不同热源（激光和电弧）的方法。该技术利用了激光焊和电弧焊两者的优势，不仅提供了激光的高能量密度，还提供了电弧的高热量输入。此外，基于激光和电弧之间的协同效应，它增强了激光能量的耦合特性和电弧的稳定性，从而获得更好的焊接效果和质量更高的焊接接头。Jiang等人对10毫米厚的6082铝合金进行LAHW，通过控制激光摆动，改善了熔透动态演变和熔池流动以提高焊缝质量。Guo等人研究了三种激光功率水平下6082铝合金LAHW焊接接头性能差异，阐明了不同功率下熔滴转移影响气孔形成的机制。疲劳断裂是金属材料部件常见的失效模式之一。许多研究发现，大多数金属材料的疲劳寿命极限往往低于其自身强度。因此，疲劳断裂问题对于材料部件的使用寿命和安全尤为令人关注。根据应力加载循环次数，疲劳可分为低周疲劳（<10?次循环）、高周疲劳（>10?且<10?次循环）和超高频疲劳（>10?次循环）。在铝合金焊接部件中，高周疲劳占疲劳失效行为的绝大部分。Kim等人探讨了热处理对A356合金气孔和高周疲劳变形行为的影响，发现球形硅颗粒、均匀分布的细小Mg2Si颗粒以及减少的树枝臂间距与增强的拉伸和高周疲劳性能相关。Paul等人研究了双相钢在预应变条件下高周疲劳寿命的变化，发现在等双轴和正交拉伸预应变下HCF寿命的提升大于传统平行拉伸预应变所获得的效果。Li等人采用LAHW连接4毫米厚的6061铝合金板，发现焊缝中的疲劳裂纹起始于含有气孔的试样表面以下，疲劳断裂表面在不同应力幅下表现出延性断裂特征。因此，研究铝合金焊接部件的HCF行为有助于进一步提高这些焊接结构的使用疲劳寿命安全。目前，6082-T6铝合金LAHW部件已应用于各个领域，但对其焊接接头的HCF行为研究有限，使该行为的调查尤为重要。如今，研究焊接接头疲劳行为的方法有很多。Kim等人通过断口分析、表面损伤显微观察和微观组织演变清楚地表明，断裂模式从高周疲劳过渡到低周疲劳、超低周疲劳和单调行为。他们证明了疲劳测试中各种断裂模式的转变可以通过其不同的循环响应曲线和断裂后微观组织特征来区分。Jaisawa等人对焊缝断裂表面进行显微检查，确定了三种裂纹起始类型：空隙、夹杂物和工具痕迹，以及两种裂纹扩展机制：沿晶断裂和穿晶断裂。Song等人使用同步辐射X射线三维原位疲劳实验数据和疲劳断裂形貌，探讨了裂纹源处孔洞尺寸、应力与疲劳寿命之间的定量关系。Yuki等人采用主动红外热成像进行现场观察，阐明了失效接头内的疲劳断裂机制，并从外部无损评估疲劳损伤行为，检测FSSW区域和疲劳损伤导致的失效区域的形状。Choudhary等人通过综合分析TEM显微照片、表面不规则性、显微硬度变化、残余应力、铜颗粒分布和微观组织不均匀性，解释了试样两侧表面不规则性在疲劳损伤机制中的作用。因此，本研究利用SEM、TEM和EBSD实验，在微观上观察焊接接头的疲劳断裂，研究析出相与位错之间的相互作用以及在不同疲劳应力水平下的行为差异，从而阐明6082-T6铝合金LAHW接头的疲劳行为机制。本研究调查了6082-T6铝合金LAHW接头的高周疲劳行为和微观组织演变。采用LAHW对6082-T6铝合金板进行对接焊。在不同疲劳循环应力水平下对接头进行高周疲劳测试，并绘制相应的S-N曲线，显示连续指数下降趋势；即随着最大循环应力（σmax）的增加，焊接接头的寿命显著降低。随后，对疲劳断裂试样进行SEM、TEM和EBSD测试，观察疲劳后焊缝区域的晶体相结构以及内部析出相和位错的行为。这用于解释析出相与位错之间的相互作用对焊接接头疲劳寿命的影响。分段摘要基础材料本研究使用6082-T6铝合金作为研究对象，并采用LAHW填充工艺进行对接焊。铝合金板的尺寸为120 mm × 60 mm × 6 mm，所选焊丝为ER5356，直径为1.6 mm。铝合金板和焊丝的具体成分见表1。LAHW工艺参数本研究使用的焊接设备是PLMHW系统。该系统配置包括一台TRUMPF TruDisk 10,002盘HCF焊接接头寿命在高周疲劳中，材料的疲劳性能可以用循环应力与循环寿命之间的关系来描述，即应力-寿命关系，或S-N曲线。对于焊接部件，最常用的方法是名义应力方法，用经典的Basquin表达式表示：其中σ表示名义应力值，σmax是以MPa为单位的最大循环应力，Nf是对应该最大循环应力的疲劳寿命。C和m是材料结论本研究调查了6082-T6铝合金LAHW接头的高周疲劳行为和微观组织演变。对接头WM处的析出相和位错行为进行了微观组织观察。基于实验结果，可以得出以下结论：(1) 在σmax范围为120 MPa至150 MPa内，6082-T6铝合金LAHW接头的S-N曲线呈现连续指数下降趋势，相同应力水平下的寿命数据CRediT作者贡献声明Haizhou Li：正式分析、数据整理。Xingyi Ruan：资源、调查。Jinquan Guo：项目管理、资金获取。Yaofu Wang：方法论、正式分析。Yilin Song：。Qingyuan Wang：。Hui Chen：资金获取、数据整理。未引用参考文献[47]。利益冲突声明我们声明，我们没有与其他人或组织存在可能不恰当地影响我们工作的财务和人际关系，我们没有任何产品、服务和/或公司的专业或其他个人利益，这些利益可能被解释为影响了稿件中提出的立场或稿件的审阅。致谢本研究得到国家自然科学基金（编号：U2468211）、国家自然科学基金青年学者基金（编号：52205420）、国家自然科学基金（编号：52575456）和四川省自然科学基金（编号：2026NSFSC0287）的支持。Haizhou Li | Xingyi Ruan | Jinquan Guo | Yaofu Wang | Yilin Song | Qingyuan Wang | Hui Chen西南交通大学材料科学与工程学院，中国成都610031