超聲沖擊處理對5083鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

于華寬,高 飛,丁立南,胡 浩,鄒家生

(江蘇科技大學(xué) 先進焊接技術(shù)省級重點試驗室,鎮(zhèn)江212100)

5083鋁合金屬于鋁鎂系合金,具有中等強度、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點,十分符合造船材料高強度、輕量化的要求[1],是游艇和各種工作型快艇主要結(jié)構(gòu)的首選材料[2-4]．鋁合金船體的主要連接方式為焊接,但鋁合金材料線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性強,在拘束狀態(tài)下焊接時,焊接接頭容易產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力．目前國內(nèi)外對5083鋁合金的研究主要圍繞調(diào)整焊接工藝來提高鋁合金接頭性能,也有研究人員采用數(shù)值模擬研究5083鋁合金焊接殘余應(yīng)力分布[5],或采用噴丸處理減少5083鋁合金材料焊接殘余應(yīng)力[6],但由于噴丸強化設(shè)備的限制,不適于船體等大型結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的調(diào)控．

超聲沖擊處理(ultrasonic impact treatment，UIT)是目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的表面局部強化和消除殘余應(yīng)力的工藝方法[7-10]．但是采用不同的超聲沖擊工藝參數(shù)所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)不同,從而影響接頭性能的改善程度[11]．如果沖擊工藝選擇錯誤反而會削弱焊接接頭的性能[12]．因此,研究超聲沖擊處理工藝對5083鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的影響及其變化規(guī)律,具有實際應(yīng)用價值．文中主要研究不同的超聲沖擊區(qū)域和沖擊強度對5083鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的影響．

1 試驗

1.1 試驗材料和焊接方法

試驗所用母材為5083 H116鋁合金,規(guī)格為400 mm×200 mm×8 mm．母材和焊材的化學(xué)成分如表1．焊接方法為在約束條件下采用MIG雙面對接焊接,焊接電流為125～135 A,焊接電壓為19～22 V,保護氣體流量為25～28 L/min,焊接速度為25～45 cm/min．

表1 試驗材料化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 5083 Al alloy w(x)/%

1.2 殘余應(yīng)力測試

采用XRD應(yīng)力測試儀(加拿大Proto-epco)測試殘余應(yīng)力．在殘余應(yīng)力測試前,采用XRD設(shè)備自帶的電解拋光設(shè)備對測試表面進行拋光處理,iXRD測試5083鋁合金參數(shù)如表2．殘余應(yīng)力測試點如圖1,測試點分布在距焊縫中心線6 mm的焊趾處(A-A縱截面)和20 mm的B-B縱截面．同時測試了距焊縫中心橫截面(Ⅰ-Ⅰ截面)45 mm處C-C橫截面和距焊縫中心橫截面135 mm處D-D橫截面的殘余應(yīng)力分布．

表2 X射線衍射儀測試參數(shù)Table 2 Test parameters of X-ray diffractometer

圖1 表面測試點分布圖(單位：mm)Fig.1 Schematic of measuring positions on test plate(unit:mm)

1.3 超聲沖擊工藝

試驗使用的超聲沖擊設(shè)備型號為JSKD-D,超聲頻率為20 kHz,超聲沖擊槍重量為4 kg,沖擊針針頭分為平頭(φ3 mm的平面)和圓頭直徑(φ2 mm的半球面),如圖2．超聲沖擊工藝為:① 使用4針平頭沖擊針對焊接接頭進行全覆蓋沖擊,沖擊強度分別為0.5、1.5、2.0和3.0 s/cm2;② 使用2針圓頭沖擊針對焊趾進行沖擊,沖擊強度分別為1、2和3 s/cm2．圖3為超聲沖擊位置示意．

圖2 超聲沖擊針頭示意Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic impact needle

圖3 超聲沖擊位置(單位：mm)Fig.3 Location of ultrasonic impact treatment(unit:mm)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 拘束焊接殘余應(yīng)力分布

圖4為超聲沖擊前焊接殘余應(yīng)力分布,σx為沿焊縫方向的殘余應(yīng)力,即縱向殘余應(yīng)力;σy為垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力,即橫向殘余應(yīng)力．

從圖4(a)可知,焊趾處A-A截面的縱向殘余應(yīng)力在接頭起點和終點附近趨于零應(yīng)力狀態(tài)．隨著遠離焊縫起點和終點,拉應(yīng)力也逐漸增大,最后在-140～140 mm區(qū)域穩(wěn)定,縱向殘余拉應(yīng)力平均值約為110 MPa,為母材屈服強度的48%．橫向殘余應(yīng)力在焊縫兩端為較大的壓應(yīng)力,最大值達到100 MPa．隨后殘余壓應(yīng)力逐漸減小,應(yīng)力值在0～60 MPa波動,遠小于縱向殘余拉應(yīng)力．圖4(b)為B-B截面上的殘余應(yīng)力分布,其分布規(guī)律和焊趾相似,但B-B截面上穩(wěn)定區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力更大,最大值達到211 MPa,約為母材屈服強度的90%．從圖4(c)中可以,縱向殘余應(yīng)力在焊縫中心兩側(cè)-30～30 mm之間為較大的拉應(yīng)力,峰值應(yīng)力出現(xiàn)在熱影響區(qū),約200 MPa,焊縫上的縱向殘余應(yīng)力小于焊趾和熱影響區(qū),遠離焊縫的兩端為無應(yīng)力狀態(tài)．橫向殘余應(yīng)力沒有呈現(xiàn)中間拉兩邊壓的規(guī)律,而是在+30 MPa上下浮動．圖4(d)為D-D橫截面的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，和C-C橫截面相同,峰值應(yīng)力出現(xiàn)在焊趾上,約為90 MPa．由以上分析可知,近縫區(qū)殘余應(yīng)力以縱向殘余拉應(yīng)力為主,橫向殘余拉應(yīng)力相對較低．縱向殘余應(yīng)力最大值更接近于材料的屈服強度,這是因為焊縫冷卻凝固時焊縫縱向收縮程度遠大于橫向收縮程度[13]．

圖4 超聲沖擊前焊接殘余應(yīng)力分布Fig.4 Distribution diagrams of residual stress before ultrasonic impact

2.2 超聲沖擊強度對焊接殘余應(yīng)力的影響

超聲沖擊前,用記號筆標出100 mm×70 mm的面積，并使用4個沖擊針頭按照0.5、1.5、2.0和3.0 s/cm2不同的沖擊強度進行沖擊,然后通過Image Pro軟件計算出沖擊覆蓋率,各沖擊強度所對應(yīng)的沖擊覆蓋率如表3,2.0 s/cm2沖擊處理結(jié)果如圖5．

表3 沖擊強度對應(yīng)的沖擊覆蓋率Table 3 Ultrasonic impact coverage corresponding to ultrasonic impact strength

圖5 2.0 s/cm2沖擊處理結(jié)果Fig.5 2.0 s/cm2 impact treatment results

焊接接頭在不同沖擊強度下的殘余應(yīng)力分布如圖6．

圖6 不同沖擊強度下的殘余應(yīng)力分布Fig.6 Residual stress distribution at different ultrasonic impact strength

從圖中可以看出,當超聲沖擊強度為0.5 s/cm2時,沖擊區(qū)域拉應(yīng)力基本上都轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力．靠近沖擊邊緣的一側(cè)縱向和橫向應(yīng)力都為拉應(yīng)力,這是由于沖擊覆蓋率為60%,該測試點沒有覆蓋到?jīng)_擊壓痕上．當覆蓋率達到100%～140%時,沖擊區(qū)域的壓應(yīng)力較為均勻,平均壓應(yīng)力在180 MPa左右,相比沖擊前,應(yīng)力平均下降了260%,超聲沖擊處理達到理想效果．隨著沖擊強度的進一步增加,沖擊區(qū)域壓應(yīng)力也隨之增大,最終在220 MPa處波動,說明超聲沖擊強度引入的殘余壓應(yīng)力已經(jīng)達到極限,產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是[14-15]:超聲沖擊針以高頻振動不斷地撞擊被處理材料表面,導(dǎo)致材料表層位錯滑移,位錯滑移一方面使晶體產(chǎn)生塑性變形,造成殘余拉應(yīng)力峰值下降,從而改變了工件原有的內(nèi)應(yīng)力場,在較低的應(yīng)力水平下達到平衡;另一方面產(chǎn)生位錯增殖及亞結(jié)構(gòu)的變化,使金屬發(fā)生強烈的加工硬化,強度大大提高,抵抗塑性變形能力增強,所以當繼續(xù)增加沖擊強度時,產(chǎn)生的壓應(yīng)力不再繼續(xù)增加．

2.3 沖擊焊趾對焊接殘余應(yīng)力的影響

在焊接生產(chǎn)過程中,焊趾一般是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié),這是因為焊趾處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、殘余拉應(yīng)力以及焊接缺陷,導(dǎo)致焊接接頭的性能下降．超聲沖擊可以改善焊趾形貌,降低應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力[16]．圖7為采用2針單獨沖擊焊趾部位得到的不同沖擊強度下的應(yīng)力分布．焊趾在經(jīng)過1.0 s/cm2的沖擊強度處理后,縱向殘余應(yīng)力由沖擊前的拉應(yīng)力(120 MPa)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力(140 MPa)．焊縫上的拉應(yīng)力也轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力,熱影響區(qū)的拉應(yīng)力下降了40%左右．隨著沖擊強度的增加,壓應(yīng)力最終在200 MPa處波動．焊趾處的橫向殘余應(yīng)力也引入了120 MPa左右的壓應(yīng)力,但略小于縱向應(yīng)力．相對于全覆蓋沖擊,只沖擊焊趾的方法適用于承受疲勞載荷的焊接接頭,可以大大提高工作效率．

圖7 不同沖擊強度對焊趾附近殘余應(yīng)力的影響Fig.7 Effect of different impact strength on residual stress near weld toe

2.4 超聲沖擊對焊縫表層殘余應(yīng)力的影響

使用角磨機將超聲沖擊覆蓋率為140%的焊縫和焊趾上的麻坑打磨平整,然后采用拋光設(shè)備分別對焊縫和焊趾上的一個測試點進行逐層拋光,每次拋光深度約為0.2 mm,測試不同層深的殘余應(yīng)力值,得到結(jié)果如圖8．從圖8(a)和(b)可以看出,隨著拋光深度的增加,焊縫上的焊態(tài)殘余應(yīng)力波動比較大,曲線存在多個應(yīng)力峰值．縱向殘余應(yīng)力值隨拋光深度的增加而減小,當拋光深度位于0.25～1 mm范圍內(nèi)時,殘余拉應(yīng)力平均值約為100 MPa,拋光深度達到2.5 mm后,應(yīng)力值在±50 MPa內(nèi)波動．焊縫在經(jīng)過超聲沖擊處理后,焊縫表面壓應(yīng)力約為190 MPa,在距焊縫表面0.2～0.4 mm距離時,縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力分別達到最大值,約為220 MPa．隨著拋光深度的增加,壓應(yīng)力逐漸減?。敀伖馍疃冗_到2.5 mm后,沖擊后的焊縫殘余應(yīng)力和未沖擊處理的殘余應(yīng)力保持一致．

圖8(c)和(d)表明焊趾上殘余應(yīng)力隨拋光深度的增加而逐漸減?。v向殘余應(yīng)力由表層的160 MPa逐漸降低,最終在3 mm深度呈現(xiàn)較小的壓應(yīng)力．焊趾上的殘余應(yīng)力分布規(guī)律和焊縫上一致,也是在距離焊趾表面0.2～0.4 mm處,殘余應(yīng)力達到最大值,然后隨著拋光深度的增加逐漸降低,在拋光深度達到2 mm后,超聲沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力消失．這說明超聲沖擊不僅能夠消除材料的表面殘余應(yīng)力,還可以起到松弛焊縫表層殘余應(yīng)力的作用．但隨著深度的增加,其作用效果逐漸減弱[17]．

圖8 焊縫和焊趾深度方向殘余應(yīng)力分布Fig.8 Depth gradient of residual stresses at the weld and toe

3 結(jié)論

(1)5083鋁合金焊接接頭焊趾和距焊縫中心線20 mm處的縱向殘余應(yīng)力在焊縫起點和終點附近趨于零應(yīng)力狀態(tài),穩(wěn)定區(qū)為較大的殘余拉應(yīng)力,應(yīng)力平均值分別為110 MPa和160 MPa．兩者的橫向殘余應(yīng)力在兩端為較大的壓應(yīng)力,穩(wěn)定區(qū)應(yīng)力值在±50 MPa波動,遠小于縱向殘余拉應(yīng)力．垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力分布為縱向殘余應(yīng)力在近焊縫中心兩側(cè)(-30～30 mm)為較大的拉應(yīng)力,遠離焊縫的兩端為較小的壓應(yīng)力．

(2)經(jīng)過全覆蓋超聲沖擊處理后,沖擊區(qū)域的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力．隨著沖擊強度的不斷增加,壓應(yīng)力也逐漸增大,但增大速度較小,壓應(yīng)力最終在220 MPa波動．在只沖擊焊趾的情況下,焊趾處的縱向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的殘余壓應(yīng)力,并且焊縫上的拉應(yīng)力也轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力．

(3)經(jīng)過超聲沖擊處理后,在距離焊縫和焊趾表面0.2～0.4 mm處,沖擊產(chǎn)生的殘余應(yīng)壓力達到最大值,隨著拋光深度的增加,壓應(yīng)力逐漸減小,在拋光深度達到2 mm后,沖擊后的焊縫殘余應(yīng)力和未沖擊處理的殘余應(yīng)力保持一致．