拋丸對A7N01 鋁合金表面殘余應(yīng)力的影響

劉博，王媛媛

（中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037000）

引言

高速鐵路的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了新材料的出現(xiàn)。鋁及其合金具有密度低、易加工、耐候性好、裝飾性好等特點，已廣泛應(yīng)用于軌道交通制造領(lǐng)域。A7N01 鋁合金為Al-Zn-Mg 熱處理強(qiáng)化型高強(qiáng)鋁合金，通過加入適量Mn、Cr、Zr 等微量元素有效提高合金的再結(jié)晶溫度和可焊性，是綜合性能較為優(yōu)異的鋁合金，其強(qiáng)度高、擠壓性較好、耐蝕性好，適于制造車體、底架、框架等型材[1]。在鋁合金車身的制造過程中，焊接是主要的工藝方法，焊縫質(zhì)量對產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。殘余應(yīng)力是影響焊縫質(zhì)量的重要影響因素，尤其是殘余應(yīng)力在焊趾和焊接熱影響區(qū)中較大，改變了應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞裂紋擴(kuò)展速率，將對車體的疲勞和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[2]。本文將以拋丸時間和頻率為變量，通過X 射線衍射法測量不同參數(shù)組合下鋁合金試件表面殘余應(yīng)力的變化情況，提出拋丸工藝的合理參數(shù)。

1 拋丸及X 射線法的概況

1.1 拋丸強(qiáng)化

拋丸是利用高速彈丸流連續(xù)沖擊工件表面，迫使目標(biāo)表面和表面在循環(huán)變形過程中改變微觀結(jié)構(gòu)和表面粗糙度，并引入殘余應(yīng)力。彈丸投射到材料表面時，使金屬晶格的一部分由面心轉(zhuǎn)移到體心，發(fā)生體積膨脹而受到約束，引入殘余應(yīng)力。

1.2 X 射線衍射法測量原理

原子間的距離在外力作用發(fā)生變化，與所受應(yīng)力成正比。X 射線被晶格衍射，產(chǎn)生干涉，可以計算晶體晶格的平面間距。由于干涉線滿足布拉格定律（n=1），掠射角取決于晶格原子dA的平面間距和X 射線輻射的波長，即。從干涉環(huán)的半徑r 和樣品與旋轉(zhuǎn)薄膜之間的距離af可以非常精確地確定布拉格角。根據(jù)干涉環(huán)半徑在三個方位角φ（如φ、φ=π/4、φ+2/π）的變化和射線彈性常數(shù)，可以確定表面雙軸應(yīng)力狀態(tài)。

2 殘余應(yīng)力實測方案

為探究拋丸對A7N01 鋁合金焊縫表面殘余應(yīng)力影響，采用X 射線衍射法對不同時間-頻率組合形式下焊縫橫向殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，分析時間和頻率兩種參數(shù)的影響效果。

2.1 實驗材料及儀器

2.2 測試方案

（1）實驗材料

選用兩塊300mm×150mm×8mm 的A7N01 板作為焊件母材，其屈服強(qiáng)度295MPa，抗拉強(qiáng)度365MPa。彈丸采用的是鋼丸，其直徑為1～2mm。鋼丸的優(yōu)點是：硬度適中、韌性強(qiáng)，有很好的抗沖擊能力。

（2）實驗儀器

應(yīng)力測量使用加拿大Proto 公司生產(chǎn)的ixrd 便攜式X 射線衍射儀。測角儀的核心部件裝有X 射線管和探測器，可以圍繞樣品測量點旋轉(zhuǎn)。拋丸采用的是履帶式拋丸機(jī)，型號為QPL30。

（1）拋丸處理

試驗用板采用，ER5356 焊絲作為焊材，純Ar 保護(hù)，雙面MIG 焊，坡口形式為X 型坡口。為了比較不同時間-頻率組合下拋丸對A7N01 鋁合金表面殘余應(yīng)力的影響。試板1-1，在拋丸頻率45Hz 下，分別進(jìn)行時長為30s、1min、2min 的拋丸處理。試板1-3，在拋丸頻率15Hz 下，分別進(jìn)行時長為1min、2min、4min 的拋丸處理。

（2）數(shù)據(jù)測量

為獲取試板表面殘余應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，在試板上選取焊縫的任一橫斷面，按距焊趾1、2、3、4、6、8、12、16、20、15、30、40、50、60、70、80（mm），在不同間距處測量試板的表面殘余應(yīng)力。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 拋丸處理后試板表面殘余應(yīng)力分布

在時間相同，拋丸強(qiáng)度不同的條件下，A7N01 鋁合金試板表面的殘余應(yīng)力分布如圖1、2。從圖中可以看出，拋丸強(qiáng)度為45Hz 時，試板表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力明顯比強(qiáng)度為15Hz 時的大。拋丸時間為1min 時，45Hz 和15Hz 強(qiáng)度下產(chǎn)生的最大殘余壓應(yīng)力分別為319.12MPa 和283.69MPa。拋丸時間為2min 時，45Hz 和15Hz 強(qiáng)度下產(chǎn)生的最大殘余壓應(yīng)力分別為346.46MPa 和297.9MPa。兩種拋丸條件產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力都在距焊趾13mm 處左右有較大的值。

圖1 45Hz、15Hz-1min 應(yīng)力分布圖

圖2 45Hz、15Hz-2min 應(yīng)力分布圖

在強(qiáng)度相同，拋丸時間不同的條件下，A7N01 鋁合金試板表面的殘余應(yīng)力分布如圖3、4。從圖中可以看出，在相同的拋丸強(qiáng)度的條件下，拋丸時間越長，拋丸產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力值越大。由于15Hz 的強(qiáng)度較小，所以不同的時間條件下，試板殘余壓應(yīng)力值的變化較小，在圖中表現(xiàn)為曲線之間距離小，甚至出現(xiàn)交叉部分。15Hz 強(qiáng)度下的殘余壓應(yīng)力分布折線比45Hz 強(qiáng)度下的波動更小，也就是說15Hz 強(qiáng)度拋丸后的表面殘余應(yīng)力分布更加均勻。

圖3 45Hz-30s、1min、2min 應(yīng)力分布圖

圖4 15Hz-1min、2min、4min 應(yīng)力分布圖

4 拋丸工藝應(yīng)用建議

殘余壓應(yīng)力在一定程度上可以提高焊縫的抗疲勞性和抗應(yīng)力腐蝕能力，但殘余應(yīng)力在焊接過程中也是產(chǎn)生變形的主要原因，在焊接過程完成后將影響構(gòu)件的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、及抗應(yīng)力腐蝕能力。45Hz-2min 組合下丸處理拋后，試件表面形態(tài)被鋼丸損傷較為嚴(yán)重，引入殘余壓應(yīng)力的同時增大表面粗糙度，導(dǎo)致母材耐腐蝕性降低，影響產(chǎn)品性能。因此我們在選用拋丸強(qiáng)化處理試件表面時，應(yīng)注意分析利弊，避免盲目求大。

5 結(jié)論

（1）拋丸時間相同時，強(qiáng)度越大，表面殘余壓應(yīng)力值越大；拋丸強(qiáng)度相同時，時間越長，表面殘余壓應(yīng)力值越大。采用較小的拋丸強(qiáng)度，A7N01 鋁合金試板表面殘余壓應(yīng)力的值波動較小，分布更均勻。

（2）由拋丸前后試板的表面宏觀圖片可以看出，拋丸對試板表面粗糙度的影響較大。拋丸強(qiáng)度越大、時間越長，A7N01 鋁合金試板表面粗糙度越大，越不均勻。

（3）綜合比較鋁合金板材拋丸前后表面宏觀圖片和應(yīng)力測試結(jié)果可以得出：在本次試驗中，15Hz-2min 為拋丸的最佳工藝。