鋁合金車體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力研究

茍國慶，于金朋，，張立民，張衛(wèi)華，陳 輝，李明高

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035)

鋁合金車體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力研究

茍國慶1，于金朋1，2，張立民1，張衛(wèi)華1，陳 輝1，李明高2

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035)

采用X射線衍射法(iXRD)對鋁合金部件的焊后、調(diào)修、部件組裝后及其調(diào)修和部件噴丸后的焊接殘余應(yīng)力進行無損測量，研究鋁合金部件的焊接殘余應(yīng)力分布情況及其變化規(guī)律，驗證噴丸工藝調(diào)整焊接殘余應(yīng)力措施，為調(diào)整鋁合金焊接殘余應(yīng)力的工程化處理方法和焊接接頭輔助增強的工程技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐，以改善焊接接頭的抗疲勞性能。研究結(jié)果表明，通過制定合理的焊接工藝，采用噴丸法能夠有效地調(diào)整焊接殘余應(yīng)力，滿足產(chǎn)品的安全可靠性需求。

焊接殘余應(yīng)力；鋁合金；X射線衍射法；調(diào)修；噴丸

0 前言

鋁合金焊接時，由于鋁合金的導熱性是鋼的5倍，線膨脹系數(shù)是鋼的2倍，焊接過程中由于焊接熱效應(yīng)溫度場的不均勻變化，焊接接頭附近會產(chǎn)生局部的塑性變形，有時還有粘塑性變形。焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力與變形影響構(gòu)件強度，引起顯微組織變化從而對材料強度產(chǎn)生影響，如裂紋、斷裂、腐蝕和強度下降等[1]。采用iXRD射線殘余應(yīng)力測試儀測試鋁合金部件的焊后、調(diào)修、部件裝配后及其調(diào)修和噴砂后的焊接殘余應(yīng)力，對標定后的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律和變化規(guī)律進行系統(tǒng)的研究分析，為調(diào)整鋁合金焊接殘余應(yīng)力的工程化處理方法和焊接接頭輔助增強的工程技術(shù)方案提供技術(shù)支撐，以改善焊接接頭的抗疲勞性能。

在焊接過程中，焊接區(qū)以遠高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區(qū)材料受熱而膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，并造成熱應(yīng)力，受熱區(qū)溫度升高后屈服極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限，結(jié)果在焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮，冷卻后，比周圍區(qū)域相對縮短、變窄或減小。因此，這個區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力。冷卻過程中的顯微組織轉(zhuǎn)變也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

李裕國[3]等利用磁彈性法無損檢測方法測量了不同工藝狀態(tài)下的快運貨車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架殘余應(yīng)力，得到了構(gòu)架殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。張建峰等人采用有限元分析與X射線衍射法相結(jié)合的方法對焊接態(tài)副構(gòu)架振動處理前后焊接接頭殘余應(yīng)力進行了研究，結(jié)果表明X射線法能夠快速測量出焊接接頭的殘余應(yīng)力，測試結(jié)果可靠，測試精度較高。路浩[4]等人超聲波法對高速列車車體服役狀態(tài)下的焊接殘余應(yīng)力進行了測試，并與有限元模擬和激光全息小孔法測量結(jié)果進行比較驗證了超聲波發(fā)測量結(jié)果真實可靠，為焊接結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)下的在線評估奠定了基礎(chǔ)。

1 應(yīng)力測試條件和參數(shù)

EN AW-Al-Si-Mg中等強度的AI-Mg-Si系鋁合金具有良好的熱擠壓性和耐蝕性，其化學成分如表1所示。某鋁合金車體主要由6005A-T6的中空鋁型材拼焊而成，型材擠壓工藝及熱處理工藝見表2。

在試驗過程中分別對部件焊后、調(diào)修、部件組裝及其調(diào)修和部件噴丸工藝處理后采用Proto iXRD殘余應(yīng)力測試儀進行殘余應(yīng)力測試，測試參數(shù)如表3所示。測試前先對焊縫測點進行表面平整及砂紙打磨，以去除氧化皮和結(jié)構(gòu)表面銹層，并滿足表面粗糙度低于10 μ m的測試要求[6]，然后進行電解拋光。電解拋光液為NaCl飽和溶液，電解拋光深度為150～200 μ m。電解拋光完畢后逐點進行測量。

表1 EN AW-6005A的化學成分%

表2 鋁合金型材擠壓工藝及熱處理工藝[5]

表3 殘余應(yīng)力測試參數(shù)

2 側(cè)墻有限元模型

鋁合金車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)主要由四大型材零件焊接而成。側(cè)墻焊接主要是內(nèi)側(cè)四條焊縫和外側(cè)四條焊縫，八條焊縫如圖1所示。八條焊縫的焊接原則是：先焊接側(cè)墻內(nèi)側(cè)四條焊縫，然后翻轉(zhuǎn)焊接工件及夾持定位裝置，再焊接外側(cè)四條焊縫。八條焊縫焊接順序為：2-3-1-4-6-7-5-8。

圖1 側(cè)墻焊縫編號

使用有限元單元離散軟件，對側(cè)墻進行實體單元網(wǎng)格劃分。由于目前軟件和計算機硬件條件所限，只能截取側(cè)墻上關(guān)鍵一段進行焊接過程瞬態(tài)分析。側(cè)墻焊接有限元模型創(chuàng)建結(jié)果如圖2所示。

單元離散完畢，根據(jù)Sysweld軟件對焊接工藝計算的設(shè)置需要，使用visual-mesh軟件進行焊接軌跡線、焊接參考線、焊接起始單元、焊接起止節(jié)點、散熱面和拘束節(jié)點等要素的創(chuàng)建和成組設(shè)置。

圖2 側(cè)墻焊縫及相關(guān)要素成組

3 焊接殘余應(yīng)力結(jié)果和分析

3.1 測試結(jié)果和分析

根據(jù)鋁合金車體結(jié)構(gòu)和服役工況、焊接工藝和車體制造工藝的特點，參考車體結(jié)構(gòu)強度分析，確定車體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力測試點，部分測點見圖3。

測試結(jié)果分析如圖4所示。焊后其側(cè)墻各大部位存在較大的殘余拉應(yīng)力，返修及調(diào)修對其有明顯的增大作用。返修后，返修焊縫與原始焊縫已經(jīng)形成了局部構(gòu)造上的幾何不連續(xù)，造成返修部位成為應(yīng)力集中源，從而增加了該部位的危險。

調(diào)修過程雖然使變形得到了控制，滿足了尺寸設(shè)計要求。但是由于調(diào)修部位處于反復的拉伸、壓縮彈塑性變形，降低了調(diào)修部位的塑性儲備，因此該部位的抗疲勞性能可能會下降，并且過度的調(diào)修使得該部位脆性傾向增大，在車體頻繁的動載運行條件下，可能會導致局部區(qū)域成為裂紋源。

3.2 仿真結(jié)果和分析

仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖3 部件焊后測點分布

側(cè)墻焊縫2附近局部區(qū)域焊接冷卻完畢，最大等效應(yīng)力173 MPa，最大值在焊縫區(qū)；焊縫方向最大縱向應(yīng)力192 MPa，最小應(yīng)力-61 MPa，最大值在焊縫區(qū)；橫向最大應(yīng)力140 MPa，最小應(yīng)力-158 MPa，最大值在焊縫區(qū)。

焊縫中心線上縱向應(yīng)力最大接近160MPa，中間為拉應(yīng)力，焊縫起止兩端有最大達20 MPa的壓應(yīng)力；根據(jù)所截取的焊縫橫向節(jié)點應(yīng)力曲線，焊縫熔池區(qū)橫向應(yīng)力較小，而在熱影響區(qū)處應(yīng)力有所上升，經(jīng)過該區(qū)域之后應(yīng)力下降，橫向節(jié)點上最大應(yīng)力接近200 MPa。

圖4 大部件最大殘余應(yīng)力

圖5 側(cè)墻焊縫2附近局部應(yīng)力分布

3.3 測試與仿真對比分析

根前面的分析結(jié)果和測試布點原則，選取側(cè)墻的橫向和縱向應(yīng)力分布曲線進行比較，如圖8所示。

焊接結(jié)構(gòu)的失效與斷裂一般都是由焊接接頭部位啟裂，然后擴展至斷裂，其原因是焊接接頭成分、組織和性能的不均質(zhì)性，焊接接頭既是焊接殘余拉應(yīng)力的峰值區(qū)，又是焊趾應(yīng)力集中區(qū)，還可能產(chǎn)生焊接缺欠引起應(yīng)力集中，成為焊接結(jié)構(gòu)的薄弱部位，尋求提高焊接接頭強度的焊接方法和工藝，以保證焊接結(jié)構(gòu)高質(zhì)量和可靠性。

圖6 側(cè)墻焊縫2中心應(yīng)力分布曲線

圖7 側(cè)墻焊縫2附近橫向節(jié)點應(yīng)力分布曲線

4 結(jié)論

(1)X射線衍射法能夠快速測量出CRH3型高速列車鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力，測試結(jié)果可靠。

(2)返修、調(diào)修對鋁合金焊接接頭的殘余應(yīng)力有較大的影響，因此應(yīng)重點關(guān)注該區(qū)域。

(3)有限元仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與實測結(jié)果有較好的吻合性。

(4)焊接接頭既是焊接殘余拉應(yīng)力的峰值區(qū)，又是焊趾應(yīng)力集中區(qū)，還有可能產(chǎn)生焊接缺欠引起應(yīng)力集中，容易成為裂紋集中源。

[1]拉達伊D.焊接熱效應(yīng)，溫度場、殘余應(yīng)力、變形[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]水野政夫，蓑田和之，阪口章.鋁及其合金的焊接[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

[3]李裕國，李 強.利用磁彈性法測量快運貨車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架殘余應(yīng)力的試驗研究[J].北方交通大學學報，2000 (8)：11-14.

[4]路 浩，劉雪松，孟立春，等.高速列車車體服役狀態(tài)殘余應(yīng)力超聲波法[J].焊接學報，2009(4)：44-48.

[5]曾 渝，彭志輝，潘青林，等.AI-Mg-Si系中強擠壓鋁合金[J].湖南有色金屬，2001[出版日期不詳].

[6]GB 7704-87，X射線應(yīng)力測定方法[S].

Research of welding residual stress about aluminum alloy

GOU Guo-qing1，YU Jin-peng1，2，ZHANG Li-min1，ZHANG Wei-hua1，CHEN Hui1，LI Ming-gao2
(1.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CNR Tangshan Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China)

The X-ray diffraction method(iXRD)hans been applied into the measurement of residual stress produced on the aluminum alloy welding parts.There are three states to measure welding residual stress,such as welded and mended，assembled and mended，and shot peening.We can study the distributing status and disciplinarian，and testify the step to adjust the welding residual stress by shot peening.The research supplys the data supports for welding residual stress engineering disposal and weld joint assistant consolidation to improve abilities against the gatigue.The research shows appropriate welding and shot peening technics can effectively adjust welding residual stress and meet the RAMS demands about the product.

welding residual stress；aluminum alloy；X-ray diffraction method；shot peening

TG404

A

1001-2303(2011)11-0035-04

2011-09-21

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG12A04-D02)

茍國慶(1979—)，男，四川攀枝花人，講師，博士，主要從事熱噴涂、防腐和焊接等方面的研究工作。

圖8 側(cè)墻焊縫橫向節(jié)點縱向應(yīng)力