异种金属材料焊接结构可以充分发挥不同材料的性能优势，而在常见的焊接方法中，钨极氩弧焊(TIG)由于具有焊缝金属致密，强度、韧性和塑性良好等优点，常用于异种金属材料之间的焊接[16-19]，但异种金属材料的熔点、热导率等物理特性和力学性能均存在较大差异，因此异种金属材料在焊接过程中更容易产生气孔、未熔合等缺陷[20-22]。目前，国内外对于异种金属材料特别是异种铝合金焊接接头的疲劳性能研究较少，含缺陷异种铝合金焊接接头疲劳裂纹萌生及扩展的影响机制也尚待进一步认识。为此，本文以5A06-O/7A05-T6异种铝合金TIG对接接头作为研究对象，试验测定了5A06-O/7A05-T6异种铝合金TIG对接接头的疲劳性能，通过试验数据对比以及疲劳断口SEM分析，研究焊接缺陷对5A06-O/7A05-T6异种铝合金TIG对接接头(以下简称5A06-O/7A05-T6对接接头)疲劳性能的影响规律及机理，为异种铝合金焊接结构的工程应用提供参考。
1 疲劳试验 为了试验研究焊接缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳性能的影响，采用ER5356焊丝通过TIG焊将母材5A06-O和7A05-T6焊接在一起，再根据焊接接头部位的超声TOFT及胶片射线检测结果，确定含气孔缺陷和未熔合缺陷的区域，分别制备了去除焊缝余高的5A06-O/7A05-T6平滑焊接接头疲劳测试试样(气孔缺陷、未熔合缺陷)。焊接母材及焊丝的力学性能和化学成分如表 1和表 2所示。5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳试样的几何形状与尺寸如图 1所示，考虑到实际使用情况，对5A06-O/7A05-T6对接接头余高进行打磨，再进行表面抛光处理以降低残余应力的影响。
表 1 5A06-O/7A05-T6焊接母材及焊丝的力学性能 Table 1 Mechanical properties of 5A06-O/7A05-T6 welding base metal and welding wire
| 材料 | σb/MPa | σs/MPa | δ/% |
| 5A06-O | 356.4 | 161.8 | 21.14 |
| 7A05-T6 | 414.4 | 311.6 | 13.56 |
| 5A06-O/7A05-T6 | 281.08 | 157.33 | 11.43 |
| 注: σb为强度极限，σs为屈服极限，δ为延伸率。 | |||
表选项
表 2 5A06-O/7A05-T6焊接母材及焊丝的化学成分 Table 2 Chemical composition of 5A06-O/7A05-T6 welding base metal and welding wire
| 材料 | 元素含量 | |||||||
| 5A06-O | Mg | Mn | Zn | Fe | Si | Cu | Ti | Al |
| 6.2 | 0.62 | 0.23 | 0.13 | 0.12 | 0.11 | 0.03 | Bal. | |
| 7A05-T6 | Zn | Mg | Mn | Cu | Fe | Si | Ti | Al |
| 4.58 | 1.37 | 0.22 | 0.16 | 0.15 | 0.08 | 0.04 | Bal. | |
| ER5356 | Mg | Fe | Mn | Ti | Si | Zn | Cu | Al |
| 4.59 | 0.13 | 0.12 | 0.1 | 0.04 | 0.01 | 0.001 | Bal. | |
| 注: Bal.表示Al元素的含量为除了表中已经列出的元素含量外剩下的化学元素含量。 | ||||||||
表选项
 |
| 图 1 5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳测试试样 Fig. 1 Fatigue test specimen of 5A06-O/7A05-T6 butt joint |
| 图选项 |
参照标准ASTM E466-2015[23]，在MTS-100 kN液压伺服机上进行5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)的恒载疲劳试验(见图 2)，试验环境及加载方式如表 3所示，加载波形为正弦波，加载应力比R=0.1，加载频率f=10 Hz。
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| 图 2 疲劳测试 Fig. 2 Fatigue test |
| 图选项 |
表 3 试验环境 Table 3 Test environments
| 环境 | 温度/℃ | 试样 | 加载方式 |
| 干燥大气 | 25±3 | 5A06-O/7A05-T6 对接接头(气孔缺陷) | T-T恒幅加载 |
| 干燥大气 | 25±3 | 5A06-O/7A05-T6 对接接头(未熔合缺陷) | T-T恒幅加载 |
表选项
5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)在中、短疲劳寿命区的中值疲劳寿命(p=50%)采用三级成组试验法测定[24]，每级试验的应力水平参照焊接母材的疲劳寿命试验数据进行选择，其中5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)所选应力水平分别为200 MPa、160 MPa和120 MPa; 5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)所选应力水平分别为120 MPa、90 MPa和60 MPa，且每级应力水平下的有效试样数不少于3个。
试验后利用JSM-6010LA型扫描电子显微镜对焊接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)试样的断口进行观察，分析其破坏机理，并结合图像处理软件对疲劳源处缺陷尺寸进行测量及统计。
2 试验结果分析与讨论 2.1 含缺陷焊接接头与焊接母材疲劳性能对比 通过观察5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)试样的破坏位置，发现5A06-O/7A05-T6对接接头的破坏位置均位于靠近母材7A05-T6一侧的热影响区，这与同种铝合金焊接接头破坏位置发生在随机一侧热影响区不同[25-26]，这是由于5A06-O/7A05-T6对接接头采用的ER5356焊丝物理性能及化学成分与7A05-T6相差较大，易在7A05-T6铝合金一端形成气孔、未熔合等缺陷，从而导致疲劳裂纹提前萌生。
5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)和焊接母材[27]的疲劳试验数据点如图 3所示，N为疲劳循环次数，Smax为疲劳载荷最大应力水平值。从图中可以看出，5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)同一组疲劳数据点与焊接母材疲劳数据点的分散性基本一致，这是由于气孔缺陷的数量一般较多，且其大小及分布具有与材料初始缺陷类似的随机性[12, 15]，而5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)同一组疲劳数据点与焊接母材疲劳数据点的分散性相差很大，这是由于5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)试样中通常只存在一个未熔合缺陷，且不同试样中的未熔合缺陷尺寸相差较大，导致其数据点的分散性增大。
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| 图 3 疲劳测试结果 Fig. 3 Fatigue test results |
| 图选项 |
由于疲劳性能曲线本身考虑了材料初始缺陷、表面状态等特性的随机性，可以将气孔缺陷作为材料的一种初始缺陷，采用最小二乘法拟合得到的焊接母材5A06-O、7A05-T6和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)的中值疲劳S-N曲线及其表达式分别如图 3及表 4所示。从图 3中可以看出，5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)的疲劳寿命均随着应力水平的增大而缩短，而在同一应力水平下，5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)的疲劳寿命均低于焊接母材5A06-O和7A05-T6的疲劳寿命，且含未熔合缺陷的5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳寿命最低，这说明气孔缺陷和未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳性能均产生不利影响，且未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳性能的不利影响最大。
表 4 疲劳S-N曲线 Table 4 Fatigue S-N curves
| 试样 | 试验环境 | S-N曲线 |
| 5A06-O | 干燥大气 | Smax6.02N=1.86×1019 |
| 7A05-T6 | 干燥大气 | (Smax-240.3)1.56N=7.8×107 |
| 5A06-O/7A05-T6 焊接接头(气孔缺陷) | 干燥大气 | Smax3.50N=1.08×1013 |
表选项
2.2 气孔缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳性能的影响 气孔缺陷作为焊接过程中难以避免出现的一类缺陷，其大小及位置对焊接接头疲劳裂纹的萌生均会产生影响，因此，首先对5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)试样疲劳裂纹萌生处的气孔缺陷尺寸及其距试样表面的最小距离进行测量。由于气孔缺陷近似为球形，其尺寸由直径来表征，测量过程如图 4所示，测量结果如图 5所示。从图 5中可以看出，导致疲劳裂纹萌生的气孔缺陷直径大小集中在85~140 μm之间，且气孔缺陷距试样表面的最小距离位于130~300 μm范围内。
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| 图 4 疲劳裂纹萌生处气孔缺陷尺寸及位置测量 Fig. 4 Measurement of size and location of pore defects at the position of fatigue crack initiation |
| 图选项 |
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| 图 5 疲劳裂纹萌生处气孔缺陷尺寸及位置分布 Fig. 5 Size and location distribution of pore defects at the position of fatigue crack initiation |
| 图选项 |
为了进一步研究气孔缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳性能的影响，定义疲劳寿命为N时，5A06-O/7A05-T6对接接头的气孔缺陷影响系数Kpore为
 | (1) |
式中：Sbm为焊接母材5A06-O疲劳寿命为N时对应的疲劳强度；Spore为5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)疲劳寿命为N时对应的疲劳强度。
根据拟合得到的焊接母材5A06-O和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)的疲劳S-N曲线表达式，可以得到5A06-O/7A05-T6对接接头的气孔缺陷影响系数Kpore曲线如图 6所示。从图 6中可以看出，5A06-O/7A05-T6对接接头的气孔缺陷影响系数Kpore随着疲劳寿命N的增加(即应力水平的降低)而不断增大且均大于1，这说明与高应力水平(对应低周疲劳寿命N)相比，低应力水平(对应高周疲劳寿命N)下的5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)的疲劳强度相较于焊接母材5A06-O下降更快，即应力水平越低，气孔缺陷对焊接接头疲劳性能的不利影响越大。
 |
| 图 6 气孔缺陷影响系数曲线 Fig. 6 Influence coefficient curve of pore defect |
| 图选项 |
2.3 未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳性能的影响 在现有焊接质量验收规范中，一般不允许焊缝处出现未熔合缺陷，但受限于结构形式、焊接工艺及经济性等因素影响，5A06-O/7A05-T6异种铝合金焊接结构在焊接过程中容易在局部位置产生未熔合缺陷，这就需要进一步研究未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳性能的影响，为5A06-O/7A05-T6异种铝合金焊接结构剩余寿命的评定提供数据支撑。
首先利用Photoshop图像处理软件提取5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)断口照片中的未熔合边界，进而计算得到未熔合缺陷面积占断口截面面积的比例值，具体方法如下：首先利用JSM-6010LA型扫描电子显微镜对含未熔合缺陷的5A06-O/7A05-T6对接接头断口进行拍照(见图 7(a))；然后利用Photoshop图像处理软件提取未熔合区域的边界，并将未熔合区域内部设定为白色，其他区域设定为黑色(见图 7(b))；最后根据颜色分布直方图中白色区域的百分比、断口以及照片的实际面积，即可计算得到未熔合缺陷面积占断口截面面积的比例值。采用上述方法计算得到的未熔合缺陷面积占断口截面面积的比例值分布如图 8所示。从图 8中统计可得，绝大多数未熔合缺陷的比例值小于30%，占试样总数的84.2%。
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| 图 7 未熔合缺陷图像处理过程 Fig. 7 Image processing procedure of incomplete fusion defect |
| 图选项 |
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| 图 8 未熔合缺陷比例值分布 Fig. 8 Proportion distribution of incomplete fusion defects |
| 图选项 |
定义疲劳寿命为N时，5A06-O/7A05-T6对接接头的未熔合缺陷影响系数Kif为
 | (2) |
式中：Sif为5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)疲劳寿命为N时对应的疲劳强度。
根据拟合得到的焊接母材5A06-O的疲劳S-N曲线表达式和含未熔合缺陷5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳数据，可得到不同应力水平下的未熔合缺陷影响系数Kif，如图 9所示。从图 9中可以看出，不同应力水平下的焊接接头未熔合缺陷影响系数均大于1，且同一应力水平下的未熔合缺陷影响系数随着未熔合缺陷比例的增加而不断增大，说明未熔合缺陷比例越大，5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)的疲劳性能相较于焊接母材的疲劳性能下降越快。
 |
| 图 9 未熔合缺陷影响系数曲线 Fig. 9 Influence coefficient curves of incomplete fusion defect |
| 图选项 |
在图 9数据点的基础上，采用最小二乘法进一步拟合得到不同应力水平下的未熔合缺陷影响系数Kif曲线如图 9和表 5所示。从图 9中可以进一步看出，同一应力水平下，未熔合缺陷影响系数与未熔合缺陷比例值近似呈线性关系，且不同应力水平下的未熔合缺陷影响系数Kif曲线近似平行。此外，应力水平低的未熔合缺陷影响系数曲线均位于应力水平高的未熔合缺陷影响系数曲线上方，说明未熔合缺陷比例相同的情况下，缺陷处引起的应力集中随着应力水平的增加而均匀增大，并且与高应力水平(对应低周疲劳寿命N)相比，低应力水平(对应高周疲劳寿命N)下的5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)的疲劳强度相较于焊接母材下降更快，即应力水平越低，未熔合缺陷对焊接接头疲劳性能的不利影响越大。
表 5 未熔合缺陷影响系数拟合曲线 Table 5 Fitting curves of influence coefficient of incomplete fusion defect
| Smax/MPa | 未熔合缺陷影响系数曲线 | 相关系数R2 |
| 120 | y=0.047x+1.75 | 0.979 |
| 90 | y=0.049x+1.84 | 0.997 |
| 60 | y=0.056x+2.21 | 0.983 |
表选项
2.4 焊接缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳裂纹萌生及扩展的影响 为了进一步探究焊接缺陷的大小、位置等对5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳裂纹萌生及扩展的影响机理，利用JSM-6010LA型扫描电子显微镜对铝合金5A06-O和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)中的典型疲劳断口进行观测, 如图 10~图 12所示。图 10中，Smax=160 MPa, N=6.87×105；图 11中，Smax=120 MPa，N=5.20×105。
 |
| 图 10 铝合金5A06-O疲劳断口 Fig. 10 Fatigue fracture of 5A06-O aluminum alloy |
| 图选项 |
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| 图 11 5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳断口(气孔缺陷) Fig. 11 Fatigue fracture of 5A06-O/7A05-T6 butt joint (pore defect) |
| 图选项 |
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| 图 12 5A06-O/7A05-T6对接接头疲劳断口(未熔合缺陷) Fig. 12 Fatigue fracture of 5A06-O/7A05-T6 butt joint (incomplete fusion defect) |
| 图选项 |
对比铝合金5A06-O和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)的疲劳源区，可以看出，铝合金5A06-O和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)断口处的疲劳裂纹均在试样表面或近表面初始缺陷处萌生并以点源形式逐渐扩展(见图 10(a)和图 11(a))。其中铝合金5A06-O起裂位置处存在塑性滑移特征，说明铝合金材料中的第二相粒子或夹杂等缺陷在位错滑移过程中引起的塑性变形是导致疲劳裂纹萌生的主要原因；而5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷)起裂位置处存在明显的气孔缺陷(见图 11(a))，说明近表面气孔缺陷引起的应力集中是导致疲劳裂纹萌生的主要原因[11-13]。对于5A06-O/7A05-T6对接接头(未熔合缺陷)，根据未熔合缺陷的大小及分布，断口处的疲劳源区除了主疲劳源外还存在次疲劳源(见图 12(a))，且疲劳裂纹均在试样内部未熔合缺陷边缘处萌生，并以多个临近点源形成的线源形式逐渐扩展，不同点源处的裂纹不断扩展直至交汇形成台阶特征(见图 12(b)和(d))，此外，疲劳源区还可见焊接过程中形成的气孔缺陷，这说明与气孔缺陷相比，未熔合缺陷边缘处的应力集中效应更加明显，更容易导致疲劳裂纹萌生。
对比铝合金5A06-O和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)的疲劳裂纹扩展区，可以看出，铝合金5A06-O和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)的疲劳裂纹扩展区均可见致密、连续的疲劳条带，其中5A06-O疲劳条带附近可见由二次相颗粒脱落形成的韧窝特征(见图 10(b))，而5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)的疲劳条带附近还存在大量夹杂脱落和气孔形成的孔洞特征(见图 11(b)、图 12(e)和图 12(f))。与铝合金5A06-O的裂纹扩展区相比，5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)裂纹扩展区中的疲劳条带较不明显，且存在脆性开裂特征(见图 10(b)和图 12(e))，说明5A06-O/7A05-T6对接接头相较于铝合金5A06-O更脆，从而在裂纹扩展的过程中容易形成短促、不连续的二次裂纹。此外，在裂纹快速扩展区中的疲劳条带附近还存在大量沿晶开裂特征(见图 12(f))，说明焊接接头的疲劳裂纹在扩展中后期是以穿晶和沿晶形式交替扩展。对比铝合金5A06-O和5A06-O/7A05-T6对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)瞬断区形貌，可以发现5A06-O/7A05-T6对接接头瞬断区的韧窝大小不一，同时存在大量大小不一的气孔、夹杂等焊接缺陷，且随机分布于整个断口截面处。
3 结论 试验测定了5A06-O/7A05-T6异种铝合金TIG对接接头(气孔缺陷、未熔合缺陷)在干燥大气环境下的疲劳性能，并对试样断口进行SEM分析，研究了焊接缺陷与载荷联合作用对5A06-O/7A05-T6异种铝合金TIG对接接头疲劳性能的影响机理，得到以下结论：
1) 5A06-O/7A05-T6异种铝合金TIG对接接头更易在7A05-T6一侧的热影响区处产生气孔、未熔合等缺陷，导致疲劳裂纹萌生，且气孔缺陷和未熔合缺陷影响系数均大于1，说明气孔缺陷和未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳性能均产生不利影响，并且应力水平越低，焊接缺陷与疲劳载荷的交互作用越充分，疲劳性能下降越明显。
2) 与含气孔缺陷的5A06-O/7A05-T6对接接头相比，含未熔合缺陷的5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳性能下降更为显著，且未熔合缺陷比例越大，焊接接头的疲劳性能下降越快。
3) 缺陷的大小、位置与载荷的交互作用是影响疲劳裂纹提前萌生的主要因素，同一应力水平下，疲劳裂纹更易萌生于尺寸较大且位置更接近材料表面的缺陷处，相较于气孔缺陷未熔合边缘更容易引起应力集中，导致疲劳裂纹从材料内部提前萌生，并以穿晶和沿晶形式交替扩展，使疲劳寿命进一步缩短。
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