噴砂處理對Al-Zn-Mg合金焊接接頭應力腐蝕性能的影響

付炳欣，李明星，黃 翠

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學生命科學與工程學院，四川成都610031）

噴砂處理對Al-Zn-Mg合金焊接接頭應力腐蝕性能的影響

付炳欣1，李明星2，黃 翠2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學生命科學與工程學院，四川成都610031）

采用慢應變速率應力腐蝕方法研究噴砂處理對高速列車車體材料A7N01鋁合金焊接接頭應力腐蝕性能的影響。試驗結果表明，經(jīng)噴砂處理后，A7N01鋁合金焊縫的殘余拉應力轉變?yōu)閴簯?，同時接頭整體應力降低，趨于均勻分布。經(jīng)噴砂處理后，A7N01鋁合金焊接接頭在3.5%NaCl中的應力腐蝕敏感指數(shù)降低，斷口未呈現(xiàn)脆性斷裂特征，表明噴砂處理增強了其抗應力腐蝕能力。噴砂試樣表面均勻分布的壓應力，降低了在外加載荷作用下焊縫所承受的拉應力，增加了焊接接頭的強度。同時，表面壓應力層的存在抑制了接頭在腐蝕環(huán)境中裂紋的萌生，從而減少腐蝕介質向內(nèi)部的擴散和作用，增強了焊接接頭的抗應力腐蝕能力。

Al-Zn-Mg合金；焊接接頭；噴砂處理；應力腐蝕；殘余應力

0 前言

在高速列車車體焊接結構中，A7N01合金是一種重要的結構材料。A7N01屬于Al-Zn-Mg系合金，具有較高的比強度和焊接性能，近年來被廣泛應用于制造高速列車車體的底座、端面梁、側面構件骨架、車架、枕梁等受力部件[1-2]。由于鋁合金的導熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)大，在車體焊接結構中往往會有較大的焊接殘余應力，表面殘余拉應力會加快裂紋萌生和擴展速度，從而降低構件的疲勞壽命[3－4]。噴砂是焊接結構表面處理的一種重要方法，研究表明，噴砂處理可有效地改善焊接結構殘余應力分布，并獲得壓應力，從而有利于抑制裂紋的產(chǎn)生[5-7]。目前有關噴砂的研究目前主要集中在對殘余應力的影響方面，關于噴砂對材料腐蝕性能，尤其是應力腐蝕性能的影響研究則較少。A7N01鋁合金作為高強鋁合金具有一定的腐蝕敏感性[8]，列車運行過程中材料所面臨的腐蝕開裂失效問題不可忽視。林紅吉[9]對表面噴砂處理對5083鋁合金表面形貌和拉伸性能的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)由于表面微裂紋的產(chǎn)生，在慢應變拉伸條件下合金的斷裂時間縮短，伸長率降低。潘素平等人[10]對5系鋁合金噴砂處理進行了研究，發(fā)現(xiàn)噴砂后5系鋁合金耐晶間腐蝕能力明顯降低。本研究采用慢應變速率應力腐蝕試驗方法，考察噴砂處理前后的A7N01鋁合金焊接接頭的應力腐蝕敏感指數(shù)、斷口微觀形貌，并結合噴砂前后焊接接頭殘余應力的變化，分析噴砂處理對A7N01鋁合金焊接接頭應力腐蝕性能的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

A7N01鋁合金的板厚10 mm，熱處理狀態(tài)為T5，進行雙面V型坡口焊接，焊接參數(shù)如表1所示。采用白剛玉對焊接試件進行表面噴砂，噴砂處理工藝參數(shù)如表2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

表2 噴砂工藝參數(shù)

1.2 試驗方法

在噴砂處理前后，測量試板表面殘余應力。從焊縫中心向母材方向80 mm范圍內(nèi)進行布點測量，采用X射線衍射法，測試參數(shù)如表3所示。

慢應變速率拉伸試驗試樣尺寸如圖1所示，試樣垂直于擠壓方向取樣，切割后進行表面噴砂。試驗應變率為10-6/s，分別在室溫下空氣環(huán)境中和25℃、3.5%NaCl溶液中對未噴砂的原始試樣和噴砂試樣進行慢應變應力腐蝕試驗。根據(jù)式（1）計算應力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT。試樣斷裂后采用掃描電鏡觀察斷口形貌。

表3 X射線應力測試儀主要試驗參數(shù)

式中 σb環(huán)境條件為腐蝕環(huán)境介質中的斷裂強度（單位：MPa）；σb惰性條件為空氣中的斷裂強度（單位：MPa）；δ環(huán)境條件為腐蝕環(huán)境介質中的斷后伸長率；δ惰性條件為空氣中的斷后伸長率。

圖1 慢應變速率試驗試樣尺寸示意

2 結果和討論

2.1 噴砂處理對表面殘余應力的影響

A7N01鋁合金焊接試板在噴砂前后的殘余應力分布如圖2所示。在噴砂之前，焊縫及熱影響區(qū)存在數(shù)值較高的殘余拉應力，平均約為90 MPa。在距離焊縫中心35 mm之后，母材受焊接熱循環(huán)的作用逐漸減弱，拉應力逐漸趨近于零，之后在較低的壓應力水平（約-10 MPa）保持穩(wěn)定。x、y方向殘余應力分布趨勢相似，焊縫處兩個方向殘余應力數(shù)值波動較明顯，其他位置數(shù)值差異不大。噴砂處理后，殘余應力整體明顯降低，焊縫處呈壓應力，平均約為-70 MPa，熱影響區(qū)平均壓應力值約為-90 MPa，距離焊縫中心越遠壓應力越大，在-110 MPa附近波動。各個位置x、y方向殘余應力分布趨勢相似，數(shù)值相近。噴砂處理提高了鋁合金表面的粗糙度，在表面產(chǎn)生壓應力，消除了表面的殘余拉應力，殘余應力分布相對于處理前更均勻。

圖2 A7N01焊接接頭噴砂前后殘余應力分布

2.2 噴砂處理對應力腐蝕性能的影響

圖3和圖4分別是A7N01鋁合金焊接接頭在空氣和3.5%NaCl溶液中的應力-應變曲線和強度、延伸率對比。噴砂后，接頭的抗拉強度增加，延伸率下降，噴砂使接頭的塑性發(fā)生了較明顯的損失。由圖2可知，焊接后因焊縫的冷卻收縮形成拉應力，噴砂會在表面形成壓應力層，壓應力與外加拉應力的疊加使接頭的斷裂強度增加，同時表面應力分布也更加均勻，也有利于提高接頭強度。同時，噴砂在表面形成硬化層，在外加拉應力作用下，位錯移動不易發(fā)生，因而噴砂接頭的塑性與未處理接頭相比有一定下降。未處理接頭在3.5%NaCl溶液中的強度與其在空氣相比基本未變，而延伸率與空氣中相比發(fā)生了非常明顯的衰減。噴砂后，接頭在3.5% NaCl溶液中的抗拉強度和延伸率均略有提高。與未處理接頭相比，噴砂處理使接頭在3.5%NaCl溶液中的強度有所提高，同時延伸率也稍有提高。以未處理接頭空氣為基準進行強度和延伸率的綜合計算，得到未處理接頭的ISSRT為0.039 26，而噴砂接頭的ISSRT為0.019 58。這表明噴砂處理有利于提高A7N01焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的抗應力腐蝕能力。

圖3 A7N01焊接接頭噴砂前后在不同環(huán)境中慢應變速率拉伸應力-應變曲線

圖4 A7N01焊接接頭噴砂前后在不同環(huán)境中慢應變速率拉伸強度和延伸率對比

噴砂處理前后7N01鋁合金焊接接頭在空氣和3.5%NaCl溶液中的斷口微觀形貌如圖5所示。未處理接頭在空氣中的試件斷口有散落的氣孔，邊緣有滑移形成的平坦延伸區(qū)，未發(fā)現(xiàn)脆性斷裂形貌，試件內(nèi)部為韌窩形貌。未處理接頭在3.5%NaCl溶液中的斷口邊緣有脆性斷裂區(qū)（見圖5b），局部有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，也可見到呈冰糖狀的脆性斷裂特征。噴砂接頭在空氣中的斷口有成片的氣孔和散落的小氣孔，試件邊緣為滑移平坦延伸區(qū)，邊緣凹凸不平，試件近表面層未見脆性斷裂形貌，內(nèi)部為韌窩形貌。噴砂接頭在3.5%NaCl溶液中的斷口邊緣有滑移平坦延伸區(qū)，脆性斷裂區(qū)不明顯。邊緣凹凸不平，凹陷處有聚集的腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)部為韌窩形貌，韌窩尺寸小，有殘留的腐蝕產(chǎn)物。

圖5 噴砂處理前后7N01鋁合金焊接接頭在不同環(huán)境中的斷口微觀形貌

經(jīng)過噴砂處理后，A7N01鋁合金焊接接頭形成粗糙表面，雖然導致接頭的塑性降低，但噴砂在表面形成壓應力，同時使表面殘余應力趨于均勻分布，從而降低了在外加載荷作用下焊縫所承受的拉應力，增加焊接接頭強度。同時，表面壓應力層的存在也抑制了接頭在腐蝕環(huán)境中裂紋的萌生，減少了腐蝕介質向內(nèi)部的擴散和作用，增強了焊接接頭的抗應力腐蝕能力。

3 結論

（1）經(jīng)噴砂處理后，A7N01鋁合金焊縫的殘余拉應力轉變?yōu)閴簯?，同時接頭整體表明應力降低，也趨于均勻分布。

（2）經(jīng)噴砂處理后，A7N01鋁合金焊接接頭在3.5%NaCl中的應力腐蝕敏感指數(shù)降低，斷口未呈現(xiàn)脆性斷裂特征，表明噴砂處理增強了其抗應力腐蝕能力。

（3）噴砂試樣表面均勻分布的壓應力降低了在外加載荷作用下焊縫所承受的拉應力，使焊接接頭的強度增加。同時，表面壓應力層的存在也抑制了接頭在腐蝕環(huán)境中裂紋的萌生，從而減少了腐蝕介質向內(nèi)部的擴散和作用，增強了焊接接頭的抗應力腐蝕能力。

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Influence of sand blasting treatment on stress cracking corrosion of A7N01 aluminum alloy welding joint

FU Bingxin1，LI Mingxing2，HUANG Cui2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In this paper，the influence of sand blasting treatment on stress cracking corrosion of A7N01 aluminum alloy joint was studied through slow strain rate test.The results showed that after sand blasting treatment，the tensile residual stress in welding seam of A7N01 joint transferred to compressed stress，and the residual stress distributed more evenly in the treated joint.The stress corrosion sensitive factor (ISSRT)of treated welding joint in 3.5%NaCl solution was lower than that of untreated joint，and no brittle fracture morphology was seen in the treated joint.The evenly distribution of compressed residual stress on the surface of treated joint decreased the tensile stress loading on the welding seam，which increased the strength of A7N01 welding joint.Furthermore，the compressed residual stress could inhibit the development of crack in corrosion solution，thus improved the anti-corrosion ability of A7N01 welding joint.

Al-Zn-Mg alloy；welding joint；sand blasting treatment；stress crack；residual stress

TG457.1

A

1001－2303（2017）03－0032-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.06

獻

付炳欣，李明星，黃翠.噴砂處理對Al-Zn-Mg合金焊接接頭應力腐蝕性能的影響[J].電焊機，2017，47（01）：32-36.

2016-11-21

付炳欣（1983—），男，山東高密人，工程師，碩士，主要從事高速列車鋁合金、碳鋼車體焊接結構工藝及性能的研究工作。