噴砂處理對鋁合金車體焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響

馬紀(jì)軍，茍國慶，陳 輝，吉 華，馬傳平

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

噴砂處理對鋁合金車體焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響

馬紀(jì)軍1，茍國慶2，陳 輝2，吉 華2，馬傳平2

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

選取某型號的鋁合金焊接車體，采用噴砂工藝對鋁合金車體進行了表面處理。采用X射線衍射法殘余應(yīng)力測試技術(shù)，對鋁合金車體的重點部位——車頂及側(cè)墻區(qū)域噴砂前后的焊接殘余應(yīng)力進行了測試研究。結(jié)果表明，噴砂前測試的焊縫區(qū)域縱向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，而橫向殘余應(yīng)力沒有規(guī)律性分布，并且在兩個應(yīng)力方向應(yīng)力梯度比較大。經(jīng)過噴砂處理后，焊縫區(qū)域的縱向和橫向應(yīng)力狀態(tài)均呈現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，而且應(yīng)力跨度減小，分布更加均勻，殘余壓應(yīng)力的存在可以有效抑制表面裂紋的萌生，提高裂紋擴展門檻值Δ Kth，從而提高了列車的疲勞強度和使用壽命。

X射線衍射法；鋁合金；殘余應(yīng)力；噴砂

0 前言

鋁合金具有比強度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、機械加工性能優(yōu)良以及可再生性好、資源豐富等一系列優(yōu)點[1]，近年來在機車車體制造中得到了廣泛應(yīng)用。但是鋁合金在焊接過程中不可避免的會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，而且殘余應(yīng)力在熱影響區(qū)比較大。焊接殘余應(yīng)力的存在對車體疲勞壽命有著重要的影響[2]，它會改變疲勞裂紋擴展速率和應(yīng)力集中系數(shù)[3]。一般而言，表面殘余拉應(yīng)力會加快裂紋萌生和擴展速度，從而降低構(gòu)件的疲勞壽命；而殘余壓應(yīng)力在一定程度上會提高構(gòu)件的服役壽命。因此，采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄊ共牧媳砻娈a(chǎn)生殘余壓應(yīng)力對于提高列車使用年限具有非常重要的意義。

使材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力層的方法工藝有很多，如：表面機械研磨、激光沖擊、噴丸、噴砂等。其中噴砂作為一種重要的表面處理方式，在列車制造過程中普遍應(yīng)用，其原理是[4]用壓縮空氣將不同磨粒射向鋁型材表面，具有沖凈作用和噴丸處理的表面強化作用，砂面形成機理如圖1所示。鋁材表面尖銳處在沙粒的沖擊下變得平整，而原本光滑的表面則在金剛砂作用下變得比原來粗糙，最終在型材表面形成具有一定粗糙度的均勻細致面，經(jīng)噴砂面處理可以消除型材表面的擠壓條紋和擦傷。

圖1 噴砂砂面形成原理

噴砂處理鋁合金表面會對其表面形貌及殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生重要的影響。張海永[5]等人對5083鋁合金板材噴砂前后的表面粗糙度、表面與截面微觀形貌、表面殘余應(yīng)力及分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)噴砂處理后，鋁合金表面粗糙度明顯增加；試樣表面殘余應(yīng)力沿表面分布比較均勻(-380～340 MPa)，跨度40 MPa，殘余壓應(yīng)力平均值較大(-361.2 MPa)，有利于抑制裂紋的產(chǎn)生。林紅吉[6]等人通過干法噴砂工藝對5系鋁合金進行表面處理，觀察其表面殘余應(yīng)力的變化，發(fā)現(xiàn)噴砂處理后能在鋁合金表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，消除了表面的殘余拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力分布相對于處理前更均勻，有效阻止了裂紋的萌生和擴展，對提高材料自身的耐蝕性能具有重要價值。胡永會[7]等人對7075鋁合金噴砂產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在疲勞循環(huán)過程的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)噴砂處理后的鋁合金表面會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而且在疲勞循環(huán)過程中壓應(yīng)力有所松弛。

本研究選取某型號的鋁合金焊接車體，采用X射線衍射法對鋁合金焊縫噴砂前后的殘余應(yīng)力進行測試，對比其前后的變化，探究分布規(guī)律，為鋁合金的表面處理工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

1 X射線衍射法無損檢測殘余應(yīng)力基本原理

單色X射線入射到晶體上，當(dāng)衍射角2θ、晶面間距d、波長λ的X射線滿足布拉格方程[8]時

則發(fā)生衍射，由于材料由大量隨機取向的晶粒組成，總會在一些位向有利的晶粒內(nèi)產(chǎn)生衍射。因而當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時，晶粒內(nèi)特定晶面族的晶面間距d必然隨著晶面與應(yīng)力相對取向的不同而有所變化，衍射角2θ也會相應(yīng)改變。

圖2 X射線對晶體的衍射

由圖2可知，當(dāng)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象時，入射X射線和衍射X射線的夾角(衍射角)為2θ。根據(jù)布拉格方程，進而計算出晶面間距d，從而求出某一方向的應(yīng)力[8]

式中 E為材料的彈性模量；μ為泊松比；ψ為所測應(yīng)變方向與試樣表面法線的夾角為無應(yīng)力時的衍射半角。

2 殘余應(yīng)力測試對象、設(shè)備和參數(shù)

2.1 測試對象

X射線衍射法殘余應(yīng)力測試選取某鋁合金車體的車頂、側(cè)墻對接接頭。先采用X射線衍射法進行原始應(yīng)力狀態(tài)測試，而后測試噴砂態(tài)殘余應(yīng)力，噴砂工藝參數(shù)如表1所示。

表1 噴砂工藝

某系列牌號鋁合金型材因質(zhì)量輕、耐蝕性好、強度高等特點，已成為當(dāng)今世界各國制造高速列車車體結(jié)構(gòu)的首選材料。另外，該鋁合金拉伸性能好，其大型薄壁中空型材減重效果好，剛度、挺度好，便于制造大型變截面中空型材。

2.2 測試設(shè)備和參數(shù)

X射線衍射法測量殘余應(yīng)力采用iXRD應(yīng)力測試儀，所涉及參數(shù)如表2所示。測試標(biāo)準(zhǔn)嚴格按照GB 7704-87 X射線應(yīng)力測定方法。

表2 X射線衍射法殘余應(yīng)力測試參數(shù)

3 實驗結(jié)果和分析

3.1 車頂噴砂前后殘余應(yīng)力結(jié)果分析

車頂選取的兩個測試點(分別記為D1、D2)，噴砂前后的縱向和橫向殘余應(yīng)力測試結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在噴砂之前，車頂焊縫縱向殘余應(yīng)力σx均為拉應(yīng)力，并且在焊趾附近達到最大值，這與焊趾處應(yīng)力集中有關(guān)，隨著離焊縫中心的距離的增大，殘余應(yīng)力呈下降趨勢；而σy的分布趨勢不是很有規(guī)律。在噴砂以后，焊縫區(qū)域的縱向和橫向殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，這與文獻報道[5-7]很吻合。由圖3a還可知，噴砂前σx和σy的跨度分別為160 MPa和200 MPa，而經(jīng)過噴砂后σx和σy的跨度分別變?yōu)?0 MPa和60 MPa，說明在經(jīng)過噴砂處理以后，殘余應(yīng)力的分布更加均勻(見圖3b)。

圖3 車頂測試點噴砂前后殘余應(yīng)力分布

3.2 側(cè)墻噴砂前后殘余應(yīng)力測試結(jié)果

側(cè)墻選取三個測試點(分別記為C1、C2、C3)，噴砂前后縱向和橫向殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在噴砂以前，側(cè)墻焊縫縱向殘余應(yīng)力σx均為拉應(yīng)力，三個點的縱向應(yīng)力最大值分別為50 MPa、200 MPa、60 MPa，隨著距焊縫中心的距離的增大，殘余應(yīng)力呈下降趨勢；而σy的分布趨勢不是很有規(guī)律，這與車頂橫向殘余應(yīng)力的分布趨勢大體相同。在噴砂以后，焊縫區(qū)域的縱向和橫向殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，從圖4a可以看出，噴砂前σx和σy的跨度分別為200 MPa和70 MPa，而經(jīng)過噴砂后σx和σy的跨度分別變?yōu)?10 MPa和120 MPa，說明在經(jīng)過噴砂處理以后，縱向殘余應(yīng)力的分布更加均勻，而橫向殘余應(yīng)力的分布則變得跨度更大，這與噴砂前的應(yīng)力狀態(tài)以及噴砂過程中鋁合金表面發(fā)生的塑性變形程度有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)鋁合金車體焊接殘余應(yīng)力在經(jīng)過表面噴砂處理后，縱向應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，而橫向應(yīng)力也全部變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，可以有效地抑制裂紋的萌生，提高裂紋擴展門檻值Δ Kth，提高了列車的疲勞強度和使用年限。

(2)經(jīng)過噴砂處理后的大部分鋁合金表面的應(yīng)力跨度明顯變小，應(yīng)力梯度降低，分布更加均勻，可以有效地抑制裂紋擴展。

圖4 側(cè)墻測試點噴砂前后殘余應(yīng)力分布

(3)從殘余應(yīng)力測試結(jié)果來看，局部的鋁合金表面殘余應(yīng)力跨度反而增大，這說明在噴砂過程中對鋁合金表面的沖擊的均勻度欠缺，需要通過改進噴砂工藝和提高工人噴砂技術(shù)等措施來改善。

[1]王元良，周友龍，胡久富.鋁合金運載工具輕量化及其焊接[J].電焊機，2005，35(9)：14-18.

[2]Champoux R L，Underwood J H，Kapp J A.Analytical and experimental methods for residual stress effects in fatigue[M].ASTM STP 1004，1988.

[3]Webster G A，Ezeilo A N.Residual stress distributions and their influence on fatigue life times[J].International Journal of Fatigue，2001(23)：S375-S383.

[4]肖 剛，胡 秋，周 立.鋁型材表面噴砂預(yù)處理及其對陽極氧化膜性的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2001，l29(8)：38-40.

[5]張海永，林紅吉，孟憲林.噴砂處理對鋁合金性能的影響[J].材料的開發(fā)與應(yīng)用，2010(9)：39-42.

[6]林紅吉，孟憲林，張海永.噴砂處理鋁合金表面形貌及殘余應(yīng)力分析[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2010，13(4)：41-44.

[7]胡永會，吳運新，郭俊康.7075鋁合金噴砂表面殘余應(yīng)力在疲勞過程中的松弛規(guī)律[J].熱加工工藝，2010，39(18)：25-27.

[8]QJ 2916-97.鋁及鋁合金表面殘余應(yīng)力的X射線測試方法[S].

Influence of the sandblasting on the welding residual stress of the aluminum alloy train-body

MA Ji-jun1，GOU Guo-qing2，CHEN Hui2，JI Hua2，MA Chuan-ping2
(1.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.College of Materials Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In this paper，the aluminium alloy body of aluminum alloy train-body has been treated using sand blasting.The welding residual stress of the roof and side wall areas of the body was measured，both initial stress and that after blasting，using X-ray Diffraction technology(XRD).The result showed that the longitudinal residual stress of the both tested areas was tensile，but the transverse position was not regular，and the stress gradient of both position was distinctly large.However，after blasting，the residual stress of the both position presented compressive，and the span of the residual stress decreased，and the distribution was more even.The residual stress can inhibited the initiation of the cracks，heightened the expanded threshold value Δ Kth，which can improve the fatigue properties of the train-body.

XRD；aluminum alloy；residual stress；sand blasting

TG404

A

1001-2303(2011)11-0026-04

2011-09-05

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG12A04-B02)

馬紀(jì)軍(1969—)，男，河北懷安人，高級工程師，學(xué)士，主要從事車輛工程結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)研究工作，主持“十一五”科技支撐高速列車車體課題和鐵道部科技司高速列車車體技術(shù)規(guī)范課題。