不同處理工藝對(duì)6005A鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭殘余應(yīng)力的影響

盧衍祥，單清群，王傳剛，馬傳平

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611031）

不同處理工藝對(duì)6005A鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭殘余應(yīng)力的影響

盧衍祥1，單清群1，王傳剛1，馬傳平2

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611031）

采用三種去應(yīng)力退火工藝和三種振動(dòng)時(shí)效+去應(yīng)力退火工藝對(duì)6005A激光-MIG復(fù)合焊接頭進(jìn)行處理，并采用X射線衍射法對(duì)處理后的焊接接頭進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)量，比較不同處理工藝條件下焊接接頭的應(yīng)力消除率。結(jié)果表明，振動(dòng)時(shí)效和去應(yīng)力退火均可有效降低焊接接頭殘余應(yīng)力。復(fù)合處理工藝比單一處理工藝對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的消除效果更為顯著。單一處理工藝中退火溫度為220℃，保溫4 h的應(yīng)力消除效果最好；復(fù)合處理工藝中，振動(dòng)時(shí)效20 min+220℃去應(yīng)力退火（保溫4 h）的應(yīng)力消除效果最佳。

6005A鋁合金；去應(yīng)力退火；振動(dòng)時(shí)效；殘余應(yīng)力

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，為滿足高速列車輕量化的要求，鋁合金大量應(yīng)用于高速列車的車體制造。其中Al-Mg-Si系鋁合金是可熱處理強(qiáng)化鋁合金中唯一沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）現(xiàn)象的合金，由于其具有中等強(qiáng)度、優(yōu)異的成形性和較低的密度，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。6005A鋁合金是在Al-Mg-Si系基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的Al-Mg-Si-Cu系焊鋁合金，具有優(yōu)良的擠壓性、焊接性和耐蝕性，因此被廣泛應(yīng)用于高速列車、城際列車和地鐵等軌道交通車輛車體的制造[1-4]。

焊接是鋁合金車體生產(chǎn)制造過(guò)程中關(guān)鍵的手段之一。由于焊接過(guò)程中加熱不均勻，焊后不可避免的要產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能和薄板結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)變形具有較大影響。因此降低和控制焊接接頭的殘余應(yīng)力，對(duì)保證焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用壽命具有重要意義。在焊后階段，改善或消除焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力可以采用自然時(shí)效法、去應(yīng)力退火、錘擊法、機(jī)械拉伸法、振動(dòng)時(shí)效法和超聲沖擊法等[5-7]。

本研究針對(duì)高速列車用6005A激光-MIG電弧復(fù)合焊接頭進(jìn)行去應(yīng)力退火、振動(dòng)時(shí)效+退火等不同工藝處理，處理后采用X射線衍射法測(cè)量焊接接頭應(yīng)力，對(duì)比不同工藝處理對(duì)鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的影響，為高速列車焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力處理方法的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用高速列車用6005A-T6鋁合金（其中T6表示熱處理狀態(tài)為固溶處理），其化學(xué)成分如表1所示。母材力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度大于等于290 MPa，屈服強(qiáng)度大于等于270 MPa，延伸率為8%～ 10%。鋁型材尺寸為300 mm×150 mm×10 mm，開60°的V型坡口，2 mm鈍邊，1 mm間隙，試板由兩塊鋁型材對(duì)焊而成，利用相同焊接工藝焊接6塊試板，分別編號(hào)為1#～6#。焊接設(shè)備采用加拿大IPG公司生產(chǎn)的YLS-4000型光纖激光器，MIG焊機(jī)型號(hào)為Kemp Arc-450，焊接機(jī)器人型號(hào)為IRB2600。焊絲采用ER5356鋁鎂焊絲，保護(hù)氣采用99.999%工業(yè)純氬，氣體流量為25 L/min。焊絲成分見表1，激光-MIG電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)見表2。

1.2 退火工藝

去應(yīng)力退火采用普瑞賽斯生產(chǎn)的KXX-25-10A型箱式電阻爐，退火處理工藝為：退火溫度分別為200℃、220℃和240℃，保溫時(shí)間均為4 h，然后隨爐冷卻至室溫。

表1 6005A鋁合金及焊絲成分 %

表2 激光-MIG電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)

1.3 振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效激振器采用ZYGZP110-1型永磁直流激振器，控制器和傳感器為HK2000系列全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置，振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)為自主設(shè)計(jì)。試驗(yàn)采用撒沙法來(lái)確定激振器和傳感器的固定位置。激振器與振動(dòng)平臺(tái)在工作時(shí)，波峰處的振動(dòng)值最大，相反最小的地方為波節(jié)，把激振器放在振動(dòng)臺(tái)的波峰處能夠使工件在較小的激振力下得到較大的振幅，振動(dòng)時(shí)效時(shí)間為20min[8]。

1.4 殘余應(yīng)力測(cè)量

采用X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力，所用設(shè)備為加拿大Proto公司生產(chǎn)的iXRD殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x。測(cè)試參數(shù)為：側(cè)傾固定ψ0法，Cr靶，Kα射線，衍射晶面（222），布拉格角為156.90°，2θ掃描范圍120°～170°，φ2 mm準(zhǔn)直管，管電壓20 kV，管電流4 mA，多曝光模式，曝光時(shí)間1.5 s，曝光次數(shù)15次。測(cè)試前測(cè)點(diǎn)先用Proto 8818-V3型電解拋光機(jī)進(jìn)行電解拋光處理，拋光介質(zhì)為飽和食鹽水。選取1#和2#焊接試板中部沿焊縫中心線對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)，分別為距離焊縫中心0 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±25 mm、±45 mm、±95 mm、±135 mm，共15個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.5 處理工藝

1#～6#試板的處理工藝見表3。試板焊接完成后先進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，經(jīng)過(guò)處理后再進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，測(cè)點(diǎn)與前述焊態(tài)測(cè)點(diǎn)一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力；平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為縱向殘余應(yīng)力σx，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為橫向應(yīng)力σy。

圖1為1#～3#試板去應(yīng)力退火前后的殘余應(yīng)力曲線。由圖1可知，1#～3#試板焊態(tài)縱向和橫向殘余應(yīng)力分布規(guī)律相同，即焊縫及近縫區(qū)存在較大值的殘余拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫，殘余應(yīng)力減小直至變成壓應(yīng)力，且殘余應(yīng)力分布曲線波動(dòng)大，殘余應(yīng)力值分布不均勻。經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火處理后，焊縫及近縫區(qū)縱向和橫向殘余拉應(yīng)力值明顯降低，1#～3#試板的縱向應(yīng)力σx峰值分別由124MPa、121MPa、130MPa降至71 MPa、63 MPa、66 MPa，橫向應(yīng)力σy峰值分別由98 MPa、95 MPa、105 MPa降至53 MPa、51 MPa、55 MPa。另外母材區(qū)域的壓應(yīng)力絕對(duì)值也明顯減小，殘余應(yīng)力曲線波動(dòng)幅度減小，殘余應(yīng)力值分布變得較為均勻。

表3 1#～6#試板處理工藝

圖1 1#～3#試板退火前后殘余應(yīng)力曲線

圖2為1#～3#試板去應(yīng)力退火前后應(yīng)力平均消除率δ的比較。由圖2可知，三種去應(yīng)力退火溫度條件下，退火溫度為220℃的2#試板的應(yīng)力平均消除率最高，縱向和橫向應(yīng)力消除率分別為50.8%和48.1%，效果最好。鋁合金去應(yīng)力退火能有效消除殘余應(yīng)力的主要原因是鋁合金材料在去應(yīng)力退火過(guò)程中會(huì)發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)密度下降，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力降低，材料屈服強(qiáng)度下降，在殘余應(yīng)力作用下發(fā)生局部塑性變形，殘余應(yīng)力得以釋放[9]。

圖2 1#～3#試板退火前后殘余應(yīng)力平均消除率比較

圖3為4#～6#試板焊態(tài)、振動(dòng)時(shí)效+退火狀態(tài)下的殘余應(yīng)力曲線。由圖3可知，4#～6#試板焊態(tài)縱向和橫向殘余應(yīng)力與1#～3#焊態(tài)試板應(yīng)力分布規(guī)律相同，殘余應(yīng)力峰值接近。經(jīng)過(guò)20 min振動(dòng)時(shí)效和去應(yīng)力退火綜合處理后，焊縫及近縫區(qū)殘余應(yīng)力大幅降低，4#～6#試板的縱向應(yīng)力σx峰值分別由118 MPa、128 MPa、125 MPa降至40 MPa、34 MPa、37 MPa，橫向應(yīng)力σy峰值分別由102 MPa、96 MPa、99 MPa降至33 MPa、26 MPa、34 MPa，殘余應(yīng)力分布曲線變得平緩，殘余應(yīng)力整體分布變得均勻。

圖4為4#～6#試板不同處理工藝條件下的殘余應(yīng)力平均消除率δ的比較。由圖4可知，三種處理工藝條件下，20 min振動(dòng)時(shí)效+220℃去應(yīng)力退火復(fù)合處理工藝的平均應(yīng)力消除率最高，效果最好，縱向和橫向應(yīng)力平均消除率分別為68.4%和71.0%，均高于其他兩種復(fù)合處理工藝。振動(dòng)時(shí)效是由于動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的總應(yīng)力給晶體內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供能量，使位錯(cuò)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、增殖、塞積和纏結(jié)，當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)微區(qū)的屈服強(qiáng)度小于疊加總應(yīng)力時(shí)，塞積得以開通，材料產(chǎn)生微觀塑性變形，殘余應(yīng)力得以釋放[8，10]。經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理，殘余應(yīng)力并不能完全釋放，振動(dòng)時(shí)效只是使得位錯(cuò)開動(dòng)，而位錯(cuò)密度并未降低。再對(duì)試板進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，在該退火溫度下材料位錯(cuò)密度降低，使得試板的殘余應(yīng)力進(jìn)一步降低，應(yīng)力消除效果更好。比較圖2和圖4可知，復(fù)合處理工藝條件下試板殘余應(yīng)力的消除效果要優(yōu)于單一處理工藝條件下的試板殘余應(yīng)力消除效果。對(duì)于復(fù)合處理工藝振動(dòng)時(shí)效+退火處理而言，第一道振動(dòng)時(shí)效可以先消除一定量的殘余應(yīng)力，降低試板的整體殘余應(yīng)力水平，然后再經(jīng)過(guò)第二道退火工藝能夠降低材料位錯(cuò)密度，進(jìn)一步降低試板殘余應(yīng)力，因此應(yīng)力釋放效果比單一工藝好。

圖3 4#～6#試板焊態(tài)、振動(dòng)時(shí)效+退火態(tài)殘余應(yīng)力曲線

圖4 4#～6#試板復(fù)合處理工藝條件下殘余應(yīng)力平均消除率比較

3 結(jié)論

（1）去應(yīng)力退火和振動(dòng)時(shí)效+去應(yīng)力退火復(fù)合處理工藝均可以有效降低6005A鋁合金激光MIG焊接頭的殘余應(yīng)力峰值，使接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力分布均勻化。

（2）振動(dòng)時(shí)效+去應(yīng)力退火復(fù)合處理工藝比單一處理工藝更能有效地消除6005A鋁合金激光MIG焊接頭的殘余應(yīng)力。

（3）三種單一去應(yīng)力退火工藝中殘余應(yīng)力消除效果最好的工藝為：退火溫度220℃，保溫4 h。三種復(fù)合處理工藝中殘余應(yīng)力消除效果最好的工藝為：20 min振動(dòng)時(shí)效+220℃去應(yīng)力退火（保溫4 h）。

（3）振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的機(jī)理是由于動(dòng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)微區(qū)的屈服強(qiáng)度小于疊加總應(yīng)力時(shí)，塞積得以開通，材料產(chǎn)生微觀塑性變形，使殘余應(yīng)力得以釋放；而去應(yīng)力退火消除殘余應(yīng)力的機(jī)理是鋁合金材料退火時(shí)發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)密度下降，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力降低，材料屈服強(qiáng)度下降，在殘余應(yīng)力作用下發(fā)生局部塑性變形，使得殘余應(yīng)力釋放。

[1] 董鵬.6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織與性能研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.

[2] 盛曉菲.6005A鋁合金組織性能研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

[3]尹志民，張愛瓊，王炎金.6005A鋁合金型材焊接接頭組織與性能[J].輕合金加工技術(shù)，2001，29（1）：32.

[4] 王元良，陳輝.高速列車鋁合金車體的焊接技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2012.

[5] 方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6] 王秋成.航空鋁合金殘余應(yīng)力消除及評(píng)估技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2003.

[7]陳明鳴，王元良.熱處理工藝對(duì)LD10鋁合金殘余應(yīng)力的影響[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，32（2）：198-201.

[8]湯運(yùn)剛，萬(wàn)里，方喜風(fēng)，等.振動(dòng)時(shí)效時(shí)間對(duì)激光-MIG電弧復(fù)合焊鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的影響[J].電焊機(jī)，2015,45（5）：103-106.

[9] 陶杰，姚正軍，薛烽.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：440-443.

[10]陳鵬.振動(dòng)消除宏觀殘余應(yīng)力的機(jī)理研究[J].電焊機(jī)，2005，35（1）：54-56.

Influence of different treatment processes on the residual stress of welded joints in laser-MIG hybrid welding for 6005A aluminum alloy

LU Yanxiang1，SHAN Qingqun1，WANG Chuangang1，MA Chuanping2
（1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Three different stress relief annealing treatment processes and three different VSR+stress relief annealing treatment processes are used to process welded joints in 6005A laser-MIG hybrid welding of aluminum alloy.An X-ray diffraction method is carried out to measure welding residual stress of treated welded joints and the stress relief rates of different treatment processes are compared. The results show that the VSR and stress relief annealing can effectively reduce the residual stress of welded joints.The stress relief effect of hybrid process for welded joints is more outstanding than that of single process.The best stress relief effect of three different single treatment processes is annealing temperature of 220℃，heat preservation for 4 h.And the best stress relief effect of three different hybrid treatment processes is 20 min VSR+220℃stress relief annealing process（heat preservation for 4 h）.

6005A aluminum alloy；stress relief annealing；VSR；residual stress

TG404

：A

：1001-2303（2015）10-0134-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.30

2015-04-23；

：2015-05-20

盧衍祥（1971—），男，山東日照人，高級(jí)工程師，主要從事高速列車車體質(zhì)量管理工作。