镁合金焊接接头疲劳性能研究

近年来，国内外学者对常规镁合金的疲劳性能已有了较为充分的研究。但有关镁合金焊接结构疲劳性能的研究相对较少，并且主要是在研究镁合金焊接工艺的过程中，将焊接接头的疲劳性能作为评估焊接方法的一项内容。少量针对镁合金焊接接头疲劳性能改善的研究也主要是从改变焊接接头残余应力状态和消除焊缝几何因素引起应力集中的角度进行。镁合金焊接接头疲劳性能的研究还处于起步阶段，这也成为制约镁合金焊接结构件广泛使用的主要原因之一[86]。

Cavaliere[87]研究了AZ91 搅拌摩擦焊（FSW）接头的疲劳性能，认为经过FSW 后，降低了裂纹扩展速率，使接头具有更长的疲劳寿命；对AZ31 和AZ61 的钨极氩弧焊（TIG）接头和FSW 接头的疲劳性能研究表明AZ31 镁合金焊接接头疲劳强度能达到母材的80%，AZ61 能达到60%，两种接头的疲劳断口都呈脆性断裂[88]；Wohlfahrt 等[89]研究了AZ31 和AZ61 的熔化极惰性气体保护焊焊接，接头的疲劳性能达到母材的50%，通过强化处理能提高到母材的 75%；Draugelates[90]利用非真空电子束焊接镁合金，得到具有令人满意疲劳强度的焊接接头；董长富等[91]的研究表明，填丝 TIG 焊得到的 AZ31B镁合金接头的疲劳强度比不填丝TIG 焊接头的更高。

王文先等[92]对AZ3lB 镁合金3 种TIG 焊接接头的疲劳性能进行了试验，按照国际焊接学会的规范，镁合金焊接接头的疲劳级别FAT 仅为相应铝合金接头疲劳级别FAT 的一半。可见，镁合金焊接接头的疲劳强度远小于母材，疲劳性能低是影响镁合金在承受动载荷结构中应用的主要因素之一。因此，可直接面对焊接接头疲劳性能较差的弱点，在焊接结构制造过程中或完成后及使用过程中采取有效的工艺措施，提高接头的疲劳强度，延长使用寿命。有研究者采用超声喷丸处理AZ31 镁合金TIG 角接接头和十字接头[93]，两种接头的疲劳强度分别为30.3 MPa 和24.7 MPa，分别提高了51.5%和43.6%。成明华[94]研究了焊接过程中外加磁场对镁合金焊接接头疲劳性能的影响，研究表明，外加磁场使熔池中的杂质得到球化和净化，使晶粒得到细化，能够有效地改善镁合金焊接接头疲劳性能，使焊接接头的疲劳性能达到母材的83%以上。扫描电镜观察疲劳断口发现，AZ61 镁合金焊接接头断口中没有连续、清晰的疲劳条纹，大部分区域都是由细小密集的解理台阶、扇形花样断口、河流状花样断口组成，说明AZ61 镁合金焊接接头的疲劳断裂是一种以准解理为主的脆性断裂。张兰[95]研究了 TIG 熔修、激光熔凝与超声冲击对AZ31B 镁合金焊接接头疲劳性能的影响。TIG 熔修与超声冲击都可以使焊缝金属晶粒得到高度细化，同时可消除焊趾部位的微观夹渣和微小咬边等缺陷，提高焊趾部位的表面质量，消除表面微观裂纹源；同时超声冲击使受冲击部位形成了有利于疲劳强度提高的表面压应力，并使焊趾过渡区曲率半径增加，应力集中降低。激光熔凝处理接头焊趾部位，虽可使熔凝区金属晶粒得到高度细化，但是焊接接头熔凝层表面成型质量较差，呈现为凹凸不平的小坑，产生了较大的应力集中，加速了焊接接头的疲劳破坏，说明激光熔凝处理对工艺要求非常严格。(www.xing528.com)

文献[96]对AZ31B 镁合金TIG 焊接接头进行了分析，表明热影响区是典型的过热组织，晶粒较粗大；而焊缝区的晶粒则明显比母材和热影响区的细小，是典型的铸造急冷组织。对AZ91 镁合金板进行非真空电子束焊，焊接区由于冷却速度快而为细小的等轴晶组织，断裂多发生在热影响区靠近焊缝的边缘，即焊缝金属最先开始凝固之处[97]。刑丽等[98]对3 mm 厚的MB8 镁合金薄板进行搅拌摩擦焊，研究发现，焊合处晶粒细小均匀，热影响区晶粒粗大。可见，由于镁合金的熔点低，导热快，焊接加热时需要大功率，除焊接接头成形不好，造成较大的应力集中外，热影响区容易过热，导致晶粒粗大，也是引起镁合金焊接接头疲劳性能下降的主要原因[99]。文献[100]采用 EHFEM200K2-070-1A 型液压伺服疲劳试验机对轧制变形MB8 镁合金室温高周疲劳性能进行了研究，结果表明，在拉-拉疲劳应力比R=0.1，循环基数为1×107条件下，MB8 镁合金的疲劳强度为69.41 MPa，相当于其抗拉强度的30%左右。MB8 镁合金的疲劳裂纹萌生于试样表面，裂纹扩展区由小的平面状断面组成，并有少量二次裂纹；疲劳断口上没有明显的疲劳辉纹，MB8 镁合金疲劳断口在裂纹萌生区塑性变形很小。在裂纹扩展区呈现出多个小平面以及撕裂棱组成的准解理断裂特征，在最终断裂区断口上可观察到韧窝存在，呈现出韧性断裂特征。