不同激勵電流條件下超聲沖擊對A7N01鋁合金焊接接頭殘余應力的影響

摘 要：文章對A7N01鋁合金焊接接頭進行了不同激勵電流條件下的全覆蓋超聲沖擊處理，并用X射線衍射法對其超聲沖擊前后的焊接殘余應力進行了測試分析。結果表明超聲沖擊處理可以使表面拉應力變為壓應力。激勵電流為1.2A時的超聲沖擊處理工藝最佳。

關鍵詞：超聲沖擊；7N01鋁合金；殘余應力

引言

焊接是制造高速列車鋁合金車體最重要的手段之一，但是焊接過程中不可避免的會產生殘余應力。超聲沖擊處理技術是近年來迅速發展起來的一門全新的消應力技術[2]。超聲沖擊法可以使殘余應力的分布更加均勻，在焊縫表面形成壓應力，提高焊接構件的疲勞強度[3]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

焊接使用的鋁合金材料為A7N01-T5鋁合金型材，板厚15mm。采用直徑為1.6mm的ER5356鋁鎂合金焊絲進行焊接。

1.2 焊接工藝

將尺寸為500X10X15mm的A7N01S-T5型材接口處加工成X形坡口。把開好坡口的型材預熱20min，預熱溫度為80℃-100℃，取出后清除坡口附近的氧化皮，用丙酮清潔坡口周邊位置及其附近區域。采用MIG焊，保護氣體為純氬氣體（99.999%），焊接順序為“正-反-正”，共焊三道。

1.3 超聲沖擊處理工藝

超聲沖擊處理采用Hy2050豪克能焊接應力超聲沖擊設備，超聲振動頻率約為20kHz。將試件劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區域，Ⅰ區的激勵電流為1.2A；Ⅱ區的激勵電流為1.4A；Ⅲ區的激勵電流為1.6A。將焊后試件固定于工作臺上，垂直于焊縫進行全覆蓋超聲沖擊處理，每個區域沖擊時間為15min。

1.4 殘余應力測試方法

對三個區域進行超聲沖擊處理前、處理后殘余應力測試，殘余應力測試設備使用PROTO-iXRD殘余應力儀。每個區域分布12個測點，4、5、6、7、8、9都在焊縫上的點；1和12點在母材上；2和11在熱影響區；3和10點為焊趾。

2 試驗結果及分析

從表1可以看出，Ⅰ區域超聲沖擊前焊接殘余應力絕大部分為殘余拉應力，且分布不均勻。縱向殘余應力最大點在焊縫處。而橫向殘余應力最大點也在焊縫上。超聲沖擊后所測各點的殘余應力全部為壓應力，應力分布較沖擊前均勻，尤其是橫向殘余應力分布更加趨于均勻化。

從表2可以發現，Ⅱ區域超聲沖擊前縱向應力全部為殘余拉應力，橫向應力三分之一為殘余拉應力，其余均為壓應力。縱向殘余應力最大點在熱影響區。橫向殘余應力最大點在焊趾上。超聲沖擊后所測各點的殘余應力基本為壓應力，應力分布較沖擊前均勻，相比于縱向應力，橫向殘余應力分布更加趨于均勻化。

表3的結果表明，Ⅲ區域超聲沖擊前縱向應力也全部為殘余拉應力，橫向應力大部分為殘余拉應力。縱向殘余應力最大點在焊縫上。橫向殘余應力最大拉應力點與縱向最大點為同一測點。超聲沖擊后所測各點的殘余應力基本為壓應力，應力分布較沖擊前更趨于均勻化。

比較超聲沖擊后殘余應力測試結果可以發現，不同激勵電流下縱向殘余應力的分布趨勢基本相近，即焊縫區和焊趾的縱向殘余壓應力絕對值較大；橫向殘余應力分布趨勢也基本相近，相比于縱向殘余應力分布更趨于均勻化。從超聲沖擊后平均殘余應力值來比較，隨著激勵電流的增大，縱向殘余應力平均值的絕對值變小；Ⅰ區和Ⅱ區的橫向殘余應力平均值的絕對值十分接近，均大于Ⅲ區。

3 結束語

3.1 對A7N01鋁合金焊接接頭進行全覆蓋超聲沖擊處理，可以使接頭表面形成壓縮塑性層，殘余應力改善效果明顯，應力分布更趨于均勻，并獲得有利于提高焊接構件疲勞強度的殘余壓應力。

3.2 對不同激勵電流條件下的超聲沖擊處理效果比較發現，綜合殘余應力分布趨勢、平均殘余應力值和殘余應力改變量，當激勵電流為1.2A時，改善效果最優。

參考文獻

[1]宋天民.焊接殘余應力的產生與消除[M].北京：中國石化出版社，2005.

[2]余皇皇.超聲沖擊16MnR焊接接頭疲勞性能研究[D].南昌：華東交通大學碩士學位論文，2010.

[3]李占明等.超聲沖擊處理對2A12鋁合金焊接接頭力學性能的影響[J].材料熱處理學報，2010，31（7）：104.