余高去除對鋁合金TIG焊接頭殘余應(yīng)力的影響

石康檸 汪殿龍 梁志敏 韓善果

(1河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊050018;2廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣州510650)

余高去除對鋁合金TIG焊接頭殘余應(yīng)力的影響

石康檸1汪殿龍1梁志敏1韓善果2

(1河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊050018;2廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣州510650)

利用超聲波法測量了3 mm和5 mm厚船用5系鋁合金TIG填絲焊接頭去除余高前后的正面橫縱向殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明，余高去除前3 mm厚試板與5 mm厚試板相比，近縫區(qū)由于變形較大釋放部分應(yīng)力導(dǎo)致縱向殘余應(yīng)力稍小;試板縱向殘余應(yīng)力分布曲線均為近縫區(qū)拉應(yīng)力最高，試板兩側(cè)存在壓應(yīng)力區(qū)。去除余高后試板的縱向殘余應(yīng)力曲線均呈駝峰狀，焊縫中心殘余應(yīng)力較低，近縫區(qū)達(dá)到殘余應(yīng)力最大值;余高的去除對于消除縱向殘余應(yīng)力沒有太大影響，但可適當(dāng)降低橫向殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力 超聲波法 鋁合金 鎢極氬弧焊

0 序 言

Al-Mg合金由于其良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性和焊接性被廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)材料的制造［1］。為提高鋁合金的焊接質(zhì)量，先進的焊接方法如攪拌摩擦焊(FSW)、激光焊(LW)等得到了快速發(fā)展，但因受到生產(chǎn)成本、焊接設(shè)備和場地條件等方面因素的限制，鎢極氬弧焊(TIG)和脈沖熔化極氬弧焊(脈沖MIG)仍是船用鋁合金主要的焊接方法［2－7］。焊接時焊件受到不均勻加熱，且由加熱引起的熱變形和組織變形受到焊件本身剛度的約束，冷卻后產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形［8］，它會影響焊接接頭的疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕性能［9］和結(jié)構(gòu)精度［10－16］，因此檢測殘余應(yīng)力對于船用5系鋁合金尤為重要。工程中常用的應(yīng)力檢測方法有小孔法、X射線法、超聲波法等，同其他方法相比，超聲波應(yīng)力檢測法具有靈敏度高、準(zhǔn)確性好及可操作性強等優(yōu)點，從而成為一種公認(rèn)的最有前途的無損檢測方法。方洪淵、路浩等人［17－18］在國內(nèi)首次開發(fā)出了超聲波法應(yīng)力無損實時測量系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于高速列車的殘余應(yīng)力測量。

在工程應(yīng)用中，常通過去除余高來消除形狀突變引起的應(yīng)力集中以及提高焊縫的疲勞強度，但關(guān)于余高去除前后對實際焊接殘余應(yīng)力影響方面的研究很少。文中采用超聲波法測量3 mm和5 mm船用5系鋁合金TIG填絲焊接頭去除余高前后的橫縱向殘余應(yīng)力分布，闡述了余高的去除對焊接殘余應(yīng)力的影響。

1 試驗材料與方法

1．1 試驗材料與焊接參數(shù)

試驗材料選擇3 mm厚和5 mm厚的5系鋁合金，焊后試板幾何尺寸為750 mm×400 mm×3 mm和750 mm×400 mm×5 mm，試驗采用TIG填絲焊進行焊接，不留間隙，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

1．2 超聲法殘余應(yīng)力測量原理

試驗采用自主開發(fā)的超聲波焊接殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)，實物圖如圖1所示。硬件系統(tǒng)包括自主開發(fā)的殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)、專用探頭和計算機。實時測量系統(tǒng)支持軟件由虛擬儀器軟件Labview編寫，搭建的試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了納秒精度的信號采集，滿足超聲波法應(yīng)力測量需要的精度。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中車青島四方機車車輛股份有限公司、廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)、中船黃埔文沖船舶有限公司等企業(yè)產(chǎn)品殘余應(yīng)力的測量。

該系統(tǒng)使用對應(yīng)力最敏感的臨界折射縱波(LCR波)作為測量波形，用特制探頭產(chǎn)生臨界折射縱波，其折射角為90°，入射到待測材料后于工件表面一定深度內(nèi)傳播，然后被探頭的接收器所接收。根據(jù)聲彈性原理，當(dāng)材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力時，會影響臨界折射縱波的傳播速度，從而與無應(yīng)力的傳播相比會產(chǎn)生一個時差，測量系統(tǒng)記錄應(yīng)力引起的聲時差，根據(jù)聲彈性常數(shù)，可以將此時差值轉(zhuǎn)換為殘余應(yīng)力值［19］。

圖1 超聲波法殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)

1．3 測量過程

1．3．1 零點標(biāo)定

將試板于邊角處切下一塊，背面以線切割切出網(wǎng)狀槽釋放應(yīng)力，以此作為零應(yīng)力標(biāo)塊。在表面上涂抹油層作為超聲波的耦合劑，測量并以此時間作為零應(yīng)力基準(zhǔn)。測量縱向與橫向殘余應(yīng)力探頭標(biāo)定的方向不同，標(biāo)定縱向殘余應(yīng)力基準(zhǔn)時，探頭方向應(yīng)與焊縫方向平行，標(biāo)定縱向殘余應(yīng)力基準(zhǔn)時，探頭方向應(yīng)與焊縫方向垂直。

1．3．2 試板測量

測量縱向(橫向)殘余應(yīng)力的橫向分布:于試板中心部位，探頭平行(垂直)于焊縫方向沿橫向移動，測量點間隔為10 mm。靠近焊縫處由于應(yīng)力變化快，測量點間隔為5 mm。測量完成后除去試板中心部位余高，再次測量其正面同一位置的殘余應(yīng)力，去余高后的試板如圖2所示。

圖2 去余高后試板

2 試驗結(jié)果及分析

2．1 余高去除前后試板縱向殘余應(yīng)力對比

圖3為有余高時測量的3 mm和5 mm厚試板的正面縱向殘余應(yīng)力曲線。通過圖3可以看出，有余高時的試板殘余應(yīng)力在近縫區(qū)為拉應(yīng)力，距焊縫中心約30 mm處進入壓應(yīng)力區(qū)，試板邊緣為自由端面，應(yīng)力值較小。由于探頭存在一定寬度，故所測近縫區(qū)位置距焊縫中心約11 mm。3 mm厚試板的近縫區(qū)殘余應(yīng)力最高為104 MPa，距焊縫中心30 mm左右出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力最大為35 MPa。5 mm厚的試板近縫區(qū)殘余應(yīng)力最高為124 MPa，距焊縫中心25 mm左右出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力最大為32 MPa。在距焊縫中心11 mm的近縫區(qū)，5 mm厚試板的殘余應(yīng)力較3 mm厚試板的殘余應(yīng)力約高20 MPa。對于焊縫金屬來說，其瞬時達(dá)到最高溫度并熔化，金屬熔化前的物性和狀態(tài)全部消失，在其凝固階段，金屬開始收縮，近縫區(qū)金屬阻礙其收縮，在焊縫熔合線附近產(chǎn)生很高的拉應(yīng)力。

圖3 有余高時縱向殘余應(yīng)力

圖4 為去除余高后測量的3 mm和5 mm厚試板的縱向殘余應(yīng)力曲線。由圖4可知，去除余高后焊縫中心處殘余應(yīng)力值較低，試板整體殘余應(yīng)力呈駝峰樣分布。3 mm試板表面殘余應(yīng)力最高值為120 MPa，位置在距焊縫中心約11 mm處。5 mm試板殘余應(yīng)力曲線走向與3 mm試板的類似，殘余應(yīng)力最高值為133 MPa，位置在距焊縫中心約11 mm處。

由圖5板邊最大撓度的測量可得出，3 mm板縱向變形量為19．44 mm;5 mm板縱向變形量為6．49 mm?？梢悦黠@看出3 mm板較5 mm板變形大，3 mm試板的近縫區(qū)由于變形較大，釋放了一部分殘余應(yīng)力，故其殘余應(yīng)力稍小。去除余高后3 mm試板殘余應(yīng)力仍小于5 mm試板，可見變形影響殘余應(yīng)力，試板近縫區(qū)隨著變形的增大，其殘余應(yīng)力隨之減小。

圖4 去除余高后縱向殘余應(yīng)力

圖5 試板縱向變形的測量

圖6 3 mm試板縱向殘余應(yīng)力

圖7 5 mm試板縱向殘余應(yīng)力

圖6 、圖7為3 mm和5 mm試板去除余高前后的縱向殘余應(yīng)力測量曲線，由圖可知，去除余高后兩試板縱向殘余應(yīng)力與有余高時相比相差不大。去除余高后3 mm，5 mm試板焊縫中心殘余應(yīng)力分別為49 MPa和38 MPa，近縫區(qū)附近應(yīng)力值較高，試板兩側(cè)應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)應(yīng)力在－15 MPa左右，板沿處由于拘束度的降低，縱向殘余應(yīng)力值很小，相較去除余高之前，3 mm試板和5 mm試板殘余應(yīng)力均稍有降低。

2．2 余高去除前后試板橫向殘余應(yīng)力對比

圖8和圖9為3 mm與5 mm試板余高去除前后的橫向殘余應(yīng)力測量曲線。由圖8和圖9可知，橫向殘余應(yīng)力沿試板橫截面的分布表現(xiàn)為:近縫區(qū)應(yīng)力幅值大，兩側(cè)應(yīng)力幅值小，邊緣處應(yīng)力值為零;去除余高后3 mm和5 mm試板橫向殘余應(yīng)力較去除余高前均有所降低。

圖8 3 mm試板橫向殘余應(yīng)力測量曲線

由圖8可知，3 mm試板去除余高前試板邊緣處應(yīng)力約為零，兩側(cè)應(yīng)力平緩區(qū)橫向殘余應(yīng)力約為3 MPa，焊縫兩側(cè)近縫區(qū)最高處約為100 MPa;去除余高后試板邊緣處應(yīng)力約為零，兩側(cè)應(yīng)力平緩區(qū)橫向殘余應(yīng)力約為－5 MPa，較余高去除前下降了約8 MPa，焊縫兩側(cè)近縫區(qū)應(yīng)力值約為85 MPa，較余高去除前下降了約15 MPa。

由圖9可知，5 mm試板去除余高前試板兩側(cè)應(yīng)力在0 MPa左右，去除余高后應(yīng)力稍有降低，距焊縫中心31 mm處有一個較大幅度的下降。余高的去除減少了局部形狀突變，使試板焊縫處應(yīng)力集中降低，近縫區(qū)母材對試板橫截面方向的拘束度減小，殘余應(yīng)力得到部分釋放，從而降低橫向應(yīng)力。

圖9 5 mm試板橫向殘余應(yīng)力測量曲線

3 結(jié) 論

通過對TIG填絲焊3 mm和5 mm試板去除余高前后的橫縱向焊接殘余應(yīng)力的測量，得到如下結(jié)論:

(1)有余高時試板的殘余應(yīng)力均為近縫區(qū)最高，3 mm與5 mm試板相比，由于3 mm試板近縫區(qū)變形較大，釋放了部分應(yīng)力而導(dǎo)致縱向殘余應(yīng)力稍小;去除余高后兩試板的縱向殘余應(yīng)力曲線均呈駝峰狀。

(2)去除余高對縱向殘余應(yīng)力沒有太大影響，橫向殘余應(yīng)力有所降低。

［1］ 王 玨．船舶用鋁合金材料［J］．輕金屬，1994(6):58－64．

［2］ 崔 立．鋁合金艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計中相關(guān)問題探討［J］．船海工程，2008，37(6):36 －37．

［3］ 蔡得濤，閆德俊，韓善果，等．船用5083鋁合金雙面單弧焊接接頭組織與性能研究［J］．焊接，2014(10):34－37．

［4］ 劉自剛，瞿懷宇，曹瑞昌，等．DP－TIG焊接方法工藝研究［J］．焊接，2017(3):61 －65．

［5］ 王禹華．船用鋁合金的幾種焊接方法［J］．機械制造，2012(3):43－46．

［6］ 王東濤，張 偉．船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和參數(shù)對焊縫氣孔的影響淺析［J］．造船技術(shù)，2015(3):71－74．

［7］ 段 昊．船用鋁合金MIG焊焊接工藝制訂要點［J］．中國船檢，2012(10):98－99．

［8］ 方洪淵．焊接結(jié)構(gòu)學(xué)［M］．北京:機械工業(yè)出版，2008．

［9］ 張利國，姬書得，鄒愛麗，等．焊接工藝參數(shù)對5383鋁合金攪拌摩擦焊接頭耐腐蝕性的影響［J］．機械工程學(xué)報，2011，47(2):80 －84．

［10］ James M N，Hughes D J，Chen Z，et al．Residual stresses and fatigue performance［J］．Engineering Failure Analysis，2007，14(2):384 －395．

［11］ Tan M L，F(xiàn)itzpatrick M E，Edwards L．Stress intensity factors for through-thickness cracks in a wide plate:derivation and application to arbitrary weld residual stress fields［J］．Engineering Fracture Mechanics，2007，74(13):2030 －2054．

［12］ Liljedahl C，Brouard J，Zanellato O，et al．Weld residual stress effects on fatigue crack growth behaviour of aluminium alloy 2024 － T351［J］．International Journal of Fatigue，2009，31(6):1081 －1088．

［13］ Mochizuki M．Control of welding residual stress for ensuring integrity against fatigue and stress-corrosion cracking［J］．Nuclear Engineering and Design，2007，237(2):107－123．

［14］ 劉振華，陳章蘭，高博．焊接殘余應(yīng)力對船體結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響分析［J］．焊接，2015(9):25－29．

［15］ 高博．焊接殘余應(yīng)力對船體結(jié)構(gòu)疲勞強度影響的分析［D］．廈門:集美大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014．

［16］ 王立楠，范偉光，舒鳳遠(yuǎn)，等．鋁合金多層多道窄間隙TIG焊接頭應(yīng)力場研究［J］．焊接，2016(9):35－39．

［17］ 路 浩，劉雪松，孟立春，等．高速列車車體服役狀態(tài)殘余應(yīng)力超聲波法無損測量及驗證［J］．焊接學(xué)報，2009，30(4):81－83．

［18］ 路 浩，馬子奇，劉雪松，等．300 km/h高速列車車體殘余應(yīng)力超聲波法無損測量［J］．焊接學(xué)報，2010，31(8):29－32．

［19］ 路 浩．雙絲焊鋁合金平板殘余應(yīng)力梯度超聲波法建立［J］．焊接學(xué)報，2008，29(2):61－64．

TG442

2016－12－21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51205106);鋁合金特種船舶高效焊接裝備及關(guān)鍵技術(shù)研究(2013DFR70160)。

石康檸，1993年出生，碩士研究生，主要從事鋁合金焊接方面的研究。

梁志敏，1981年出生，博士，教授。主要從事鋁合金焊接、焊接過程傳感與控制等方面科研和教學(xué)工作。