車體鋁合金氬弧焊與攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力研究

孫鶴立, 張　騰

(中車大同電力機(jī)車有限公司， 山西大同 037038)

?

車體鋁合金氬弧焊與攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力研究

孫鶴立, 張騰

(中車大同電力機(jī)車有限公司， 山西大同 037038)

采用小孔法分別對(duì)氬弧焊及攪拌摩擦焊對(duì)6 mm厚度的7020鋁合金的對(duì)接試板的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，兩種焊接方法的焊接接頭，縱向應(yīng)力均大于橫向應(yīng)力，在對(duì)7020鋁合金攪拌摩擦焊接接頭以及氬弧焊接頭中的縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊接頭的縱向殘余應(yīng)力值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氬弧焊接頭中縱向殘余應(yīng)力值。攪拌摩擦焊接頭的最大縱向殘余應(yīng)力為50 MPa，而氬弧焊接頭的縱向殘余應(yīng)力最大值已經(jīng)達(dá)到了90 MPa。

7020鋁合金; 攪拌摩擦焊; 氬弧焊； 焊接殘余應(yīng)力; 小孔法

攪拌摩擦焊是一種新型的焊接技術(shù)，目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高速列車車體鋁合金的焊接。對(duì)于車體鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的研究也成為熱點(diǎn)。由于焊接接頭中殘余應(yīng)力的大小及分布情況對(duì)接頭的疲勞壽命影響較大，故對(duì)不同焊接方法及工藝條件下得到的鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析非常有必要。

1　測(cè)試原理簡(jiǎn)介——小孔釋放法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力[1-3]

利用小孔釋放法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力最早是由德國(guó)學(xué)者J.Mathar在1934年提出的，后經(jīng)Wsoete和R.Vancom等學(xué)者的發(fā)展，使測(cè)量精度大為提高。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)于1981年首次頒布ASTM標(biāo)準(zhǔn)E837-8《用鉆孔應(yīng)變法測(cè)量決定殘余應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)方法》，說明小孔釋放法已可應(yīng)用于工業(yè)。目前小孔釋放法因其簡(jiǎn)單易行、測(cè)量精度高而在焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試中獲得了廣泛的應(yīng)用。

在具有二維應(yīng)力的狀態(tài)無限平板上，粘貼如圖1所示的電阻應(yīng)變片分別為0°、45°、90°的應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心鉆孔，孔深等于或略大于孔徑，當(dāng)孔深為孔徑的1.2倍時(shí)，應(yīng)變接近于全部釋放。由于孔深遠(yuǎn)小于板材的厚度，因此可套用鉆通孔時(shí)的理論解作為鉆盲孔時(shí)的近似解，通過電阻應(yīng)變片分別測(cè)量方向1、2、3的釋放應(yīng)變?chǔ)?,ε2,ε3。為簡(jiǎn)化計(jì)算取γ=-2β，計(jì)算見式(1),式(2)：

(1)

(2)

圖1　小孔釋放法的原理

(3)

式中σ1,σ2為鉆孔前殘余應(yīng)力的主應(yīng)力， MPa；

ε1,ε2,ε3分別為0°,45°,90°位置測(cè)得的釋放應(yīng)變；

A、B為定試驗(yàn)得到的應(yīng)力釋放系數(shù)；

β為最大主應(yīng)力方向與x軸的夾角。

當(dāng)假定已知?dú)堄鄳?yīng)力主應(yīng)力方向時(shí)，采用雙向應(yīng)變花，則σ1,σ2的計(jì)算公式為式(4),式(5)：

(4)

(5)

式中εx為x,y方向上的釋放應(yīng)變，με；

σx,σy為x,y方向上的殘余應(yīng)力，MPa。

2　焊接工藝試驗(yàn)材料及參數(shù)的選擇

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的材料為7020鋁合金，其具體化學(xué)成分如表1所示。

表1　7020鋁合金成分(實(shí)測(cè))

2.2工藝參數(shù)的選擇

表2　7020鋁合金氬弧焊規(guī)范

表3　7020 鋁合金攪拌摩擦焊焊接規(guī)范

2.3測(cè)量殘余應(yīng)力點(diǎn)的選擇

用角磨機(jī)將焊縫余高粗略打平，之后用砂紙將工件表面打磨拋光至無明顯劃痕?？紤]好如何將待測(cè)點(diǎn)合理的分布，之后用劃針輕輕地在工件上畫出待測(cè)點(diǎn)的位置。測(cè)點(diǎn)位置見圖2,圖3。

對(duì)于經(jīng)典的對(duì)接接頭，殘余應(yīng)力的分布理論上以焊縫中心為軸對(duì)稱分布的。因此，本次試驗(yàn)只選擇焊縫的一邊進(jìn)行測(cè)量；為避免鉆孔對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)試的影響，測(cè)點(diǎn)之間的距離應(yīng)該大于15倍的孔徑，本次試驗(yàn)孔徑為1.5 mm，故測(cè)點(diǎn)間的距離應(yīng)該大于22.5 mm，在試驗(yàn)中取25 mm。根據(jù)宏觀金相，3點(diǎn)與4點(diǎn)之間應(yīng)該為焊縫的熱影響區(qū)(HAZ)，該區(qū)為本次殘余應(yīng)力測(cè)試重點(diǎn)觀測(cè)的區(qū)域，所以，在實(shí)際操作中，將5點(diǎn)與6點(diǎn)取在如圖2～圖3所示位置，這樣既保證了測(cè)點(diǎn)之間的距離大于22.5 mm，又保證了在熱影響區(qū)有足夠多的測(cè)點(diǎn)，盡可能準(zhǔn)確的反映出殘余應(yīng)力的分布情況。

圖2　7020鋁合金攪拌摩擦焊試件待測(cè)點(diǎn)分布示意圖

圖3　7020鋁合金氬弧焊試件測(cè)點(diǎn)分布示意圖

表4　7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3　小　結(jié)

3.17020鋁合金攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力值

從圖5中，可以看到主要應(yīng)力為縱向殘余應(yīng)力，且其分布規(guī)律依然十分明顯，拉應(yīng)力最大值取在熱機(jī)影響區(qū)，焊縫的殘余應(yīng)力稍小于熱機(jī)影響區(qū)但仍為拉應(yīng)力狀態(tài)。之后測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離焊縫中心，縱向殘余應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)。若假設(shè)焊縫兩側(cè)的殘余應(yīng)力分布狀況是一致的，我們由一側(cè)的數(shù)據(jù)可以推測(cè)到焊縫兩側(cè)的殘余應(yīng)力分布應(yīng)該是呈現(xiàn)出一個(gè)“M”的形狀。

圖4　7020攪拌摩擦焊接頭縱向殘余應(yīng)力分布示意圖

圖5　7020攪拌摩擦焊接頭橫向殘余應(yīng)力分布示意圖

3.27020鋁合金氬弧焊殘余應(yīng)力值

從圖7可以看出，7020鋁合金氬弧焊焊接接頭縱向殘余應(yīng)力依然是大于橫向殘余應(yīng)力，縱向應(yīng)力的最大值大約在距離焊縫中心15 mm處取得，此處為熱影

響區(qū)。最大值為90 MPa左右，焊縫中心拉應(yīng)力值稍小，為40 MPa左右。遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。橫向應(yīng)力一直在10 MPa與30 MPa之間徘徊，呈壓應(yīng)力狀態(tài)。

由以上分析可知不論在氬弧焊接頭中，還是在攪拌摩擦焊接頭中，縱向應(yīng)力均大于橫向應(yīng)力，且最大值位于焊縫及熱影響區(qū)附近。橫向殘余應(yīng)力雖然不是主要的殘余應(yīng)力，但由于其方向垂直于焊縫，在列車服役中，有可能與焊縫承受的外加載荷方向相同，橫向殘余應(yīng)力在焊縫中心為拉應(yīng)力狀態(tài)，殘余拉伸應(yīng)力值在離開焊縫中心后先減小,然后逐漸增加,在熱影響區(qū)達(dá)到最大值，最后在進(jìn)入基體材料區(qū)域逐漸減小，隨著測(cè)點(diǎn)離焊縫距離的增加，殘余應(yīng)力將成為壓應(yīng)力。

3.3兩種焊接方法焊接殘余應(yīng)力對(duì)比值

從圖8中可以看出，攪拌摩擦焊焊接接頭的縱向殘余應(yīng)力的值要遠(yuǎn)小于氬弧焊得到的接頭中縱向殘余應(yīng)力的值。攪拌摩擦焊接頭的最大縱向殘余應(yīng)力為50 MPa左右，而氬弧焊接頭的縱向殘余應(yīng)力最大值已經(jīng)達(dá)到了90 MPa左右。造成這種情況的原因，可能有以下幾個(gè)方面：首先，攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接技術(shù)，材料未達(dá)到熔點(diǎn)，因此避免了較大的熱應(yīng)力；其次，相對(duì)于氬弧焊接頭中容易出現(xiàn)粗大晶粒組織的情況，攪拌摩擦焊焊接接頭中晶粒得到細(xì)化，且各個(gè)區(qū)域之間晶粒大小過渡較之氬弧焊要平緩許多，故避免了較大的組織應(yīng)力[4]；另外，攪拌摩擦焊不需添加焊材，同種材料自身便完成了焊接，這在一定程度上也會(huì)減小組織應(yīng)力。以上幾個(gè)原因共同作用，導(dǎo)致了如圖8所示的情況，即攪拌摩擦焊接頭的縱向殘余應(yīng)力值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氬弧焊接頭中縱向殘余應(yīng)力值。

而對(duì)于橫向殘余應(yīng)力來說，7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭中的橫向應(yīng)力最大值則要大于氬弧焊接頭中的橫向殘余應(yīng)力最大值，如圖 9 所示，造成這種情況的原因有可能是由于7020鋁合金氬弧焊采用的是雙面雙道焊，有可能兩次施焊的殘余應(yīng)力有抵消的部分。

表5　7020鋁合金氬弧焊接頭殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)　論

本次試驗(yàn)選用了7020鋁合金兩種材料，采用氬弧焊及攪拌摩擦對(duì)其施焊，并對(duì)接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比分析。結(jié)論如下：

(1) 兩種焊接方法得到的焊接接頭中，縱向應(yīng)力均要大于橫向應(yīng)力，且分布規(guī)律十分明顯，縱向應(yīng)力為主要應(yīng)力?？v向應(yīng)力的分布規(guī)律是最大值在熱影響區(qū)處出現(xiàn)，呈拉應(yīng)力狀態(tài)。焊縫的殘余應(yīng)力稍低于熱影響區(qū)，但仍然是拉應(yīng)力。由焊縫熱影響區(qū)繼續(xù)向外，隨著測(cè)點(diǎn)離焊縫中心距離越來越遠(yuǎn)，縱向殘余應(yīng)力逐漸變成壓應(yīng)力狀態(tài)，母材區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。

(2)7020鋁合金FSW、MIGW兩種焊接接頭中，攪拌摩擦焊縱向殘余應(yīng)力值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氬弧焊縱向殘余應(yīng)力值。攪拌摩擦焊接頭的最大縱向殘余應(yīng)力為47.3 MPa，而氬弧焊接頭的縱向殘余應(yīng)力最大值已經(jīng)達(dá)到了74.3 MPa。

(3)7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭中的橫向應(yīng)力則要大于氬弧焊接頭中的橫向殘余應(yīng)力。

圖6　7020鋁合金氬弧焊接頭縱向殘余應(yīng)力分布示意圖

圖7　7020鋁合金氬弧焊接頭橫向殘余應(yīng)力分布示意圖

圖8　7020鋁合金兩種焊接方法得到的縱向殘余應(yīng)力對(duì)比

圖9　7020鋁合金兩種焊接方法得到的接頭橫向殘余應(yīng)力的比較

[1]中國(guó)船舶工業(yè)總公司，CB3395-92.殘余應(yīng)力測(cè)試方法-鉆孔應(yīng)變釋放法[S].中國(guó)船舶工業(yè)總公司，1992.

[2]王訓(xùn)宏，王快社，沈洋，等. 攪拌摩擦焊和鎢極氬弧焊焊接接頭的殘余應(yīng)力[J].機(jī)械工程材料，2007,31(1)：26-28.

[3]王娜. 中厚板焊接殘余應(yīng)力測(cè)試的盲孔法研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2007.

[4]陳懷寧,陳亮山,等.盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的鉆削加工應(yīng)變[J].焊接學(xué)報(bào)，1994,(12)：276-280.

Research on Residual Stress of Argon Arc Welding and Friction Stir Welding for Aluminium Alloy of Carbody

SUNHeli,ZHANGTeng

(CRRC Datong Electric Locomotive Co., Ltd, Datong 037038 Shanxi, China)

This article makes a research by hole-drilling method on the residual stress of 7020 aluminum alloy abutting plates 6mm in thickness that are respectively welded by argon arc welding and friction stir welding. The result shows that the longitudinal stresses of the welded joints by two ways of welding are larger than the lateral stresses. After the comparison between the longitudinal residual stresses of welded joints to the 7020 aluminum alloy, it is found that the longitudinal residual stress by means of friction stir welding is far more less that of the argon arc welding. The maximum longitudinal residual stress of the friction stir welding is 50 MPa while that of the argon arc welding reaches 90 MPa.

7020 aluminum alloy; friction stir welding; argon arc welding; welding residual stress; hole-drilling method

1008-7842 (2016) 04-0099-04

??)男，工程師(

2015-12-18)

U260.32

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.25