車體鋁合金氬弧焊與攪拌摩擦焊殘余應力研究

孫鶴立, 張　騰

(中車大同電力機車有限公司， 山西大同 037038)

?

車體鋁合金氬弧焊與攪拌摩擦焊殘余應力研究

孫鶴立, 張騰

(中車大同電力機車有限公司， 山西大同 037038)

采用小孔法分別對氬弧焊及攪拌摩擦焊對6 mm厚度的7020鋁合金的對接試板的殘余應力進行了研究。結果表明，兩種焊接方法的焊接接頭，縱向應力均大于橫向應力，在對7020鋁合金攪拌摩擦焊接接頭以及氬弧焊接頭中的縱向殘余應力進行對比后，發現攪拌摩擦焊接頭的縱向殘余應力值要遠遠小于氬弧焊接頭中縱向殘余應力值。攪拌摩擦焊接頭的最大縱向殘余應力為50 MPa，而氬弧焊接頭的縱向殘余應力最大值已經達到了90 MPa。

7020鋁合金; 攪拌摩擦焊; 氬弧焊； 焊接殘余應力; 小孔法

攪拌摩擦焊是一種新型的焊接技術，目前該技術已廣泛應用于高速列車車體鋁合金的焊接。對于車體鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的研究也成為熱點。由于焊接接頭中殘余應力的大小及分布情況對接頭的疲勞壽命影響較大，故對不同焊接方法及工藝條件下得到的鋁合金焊接接頭殘余應力進行對比分析非常有必要。

1　測試原理簡介——小孔釋放法測量焊接殘余應力[1-3]

利用小孔釋放法測量焊接殘余應力最早是由德國學者J.Mathar在1934年提出的，后經Wsoete和R.Vancom等學者的發展，使測量精度大為提高。美國材料試驗協會于1981年首次頒布ASTM標準E837-8《用鉆孔應變法測量決定殘余應力的標準方法》，說明小孔釋放法已可應用于工業。目前小孔釋放法因其簡單易行、測量精度高而在焊接殘余應力的測試中獲得了廣泛的應用。

在具有二維應力的狀態無限平板上，粘貼如圖1所示的電阻應變片分別為0°、45°、90°的應變花，在應變花中心鉆孔，孔深等于或略大于孔徑，當孔深為孔徑的1.2倍時，應變接近于全部釋放。由于孔深遠小于板材的厚度，因此可套用鉆通孔時的理論解作為鉆盲孔時的近似解，通過電阻應變片分別測量方向1、2、3的釋放應變ε1,ε2,ε3。為簡化計算取γ=-2β，計算見式(1),式(2)：

(1)

(2)

圖1　小孔釋放法的原理

(3)

式中σ1,σ2為鉆孔前殘余應力的主應力， MPa；

ε1,ε2,ε3分別為0°,45°,90°位置測得的釋放應變；

A、B為定試驗得到的應力釋放系數；

β為最大主應力方向與x軸的夾角。

當假定已知殘余應力主應力方向時，采用雙向應變花，則σ1,σ2的計算公式為式(4),式(5)：

(4)

(5)

式中εx為x,y方向上的釋放應變，με；

σx,σy為x,y方向上的殘余應力，MPa。

2　焊接工藝試驗材料及參數的選擇

2.1試驗材料

試驗選用的材料為7020鋁合金，其具體化學成分如表1所示。

表1　7020鋁合金成分(實測)

2.2工藝參數的選擇

表2　7020鋁合金氬弧焊規范

表3　7020 鋁合金攪拌摩擦焊焊接規范

2.3測量殘余應力點的選擇

用角磨機將焊縫余高粗略打平，之后用砂紙將工件表面打磨拋光至無明顯劃痕。考慮好如何將待測點合理的分布，之后用劃針輕輕地在工件上畫出待測點的位置。測點位置見圖2,圖3。

對于經典的對接接頭，殘余應力的分布理論上以焊縫中心為軸對稱分布的。因此，本次試驗只選擇焊縫的一邊進行測量；為避免鉆孔對殘余應力測試的影響，測點之間的距離應該大于15倍的孔徑，本次試驗孔徑為1.5 mm，故測點間的距離應該大于22.5 mm，在試驗中取25 mm。根據宏觀金相，3點與4點之間應該為焊縫的熱影響區(HAZ)，該區為本次殘余應力測試重點觀測的區域，所以，在實際操作中，將5點與6點取在如圖2～圖3所示位置，這樣既保證了測點之間的距離大于22.5 mm，又保證了在熱影響區有足夠多的測點，盡可能準確的反映出殘余應力的分布情況。

圖2　7020鋁合金攪拌摩擦焊試件待測點分布示意圖

圖3　7020鋁合金氬弧焊試件測點分布示意圖

表4　7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應力測試結果

3　小　結

3.17020鋁合金攪拌摩擦焊殘余應力值

從圖5中，可以看到主要應力為縱向殘余應力，且其分布規律依然十分明顯，拉應力最大值取在熱機影響區，焊縫的殘余應力稍小于熱機影響區但仍為拉應力狀態。之后測點逐漸遠離焊縫中心，縱向殘余應力迅速轉變為壓應力狀態。若假設焊縫兩側的殘余應力分布狀況是一致的，我們由一側的數據可以推測到焊縫兩側的殘余應力分布應該是呈現出一個“M”的形狀。

圖4　7020攪拌摩擦焊接頭縱向殘余應力分布示意圖

圖5　7020攪拌摩擦焊接頭橫向殘余應力分布示意圖

3.27020鋁合金氬弧焊殘余應力值

從圖7可以看出，7020鋁合金氬弧焊焊接接頭縱向殘余應力依然是大于橫向殘余應力，縱向應力的最大值大約在距離焊縫中心15 mm處取得，此處為熱影

響區。最大值為90 MPa左右，焊縫中心拉應力值稍小，為40 MPa左右。遠離焊縫的區域呈現壓應力狀態。橫向應力一直在10 MPa與30 MPa之間徘徊，呈壓應力狀態。

由以上分析可知不論在氬弧焊接頭中，還是在攪拌摩擦焊接頭中，縱向應力均大于橫向應力，且最大值位于焊縫及熱影響區附近。橫向殘余應力雖然不是主要的殘余應力，但由于其方向垂直于焊縫，在列車服役中，有可能與焊縫承受的外加載荷方向相同，橫向殘余應力在焊縫中心為拉應力狀態，殘余拉伸應力值在離開焊縫中心后先減小,然后逐漸增加,在熱影響區達到最大值，最后在進入基體材料區域逐漸減小，隨著測點離焊縫距離的增加，殘余應力將成為壓應力。

3.3兩種焊接方法焊接殘余應力對比值

從圖8中可以看出，攪拌摩擦焊焊接接頭的縱向殘余應力的值要遠小于氬弧焊得到的接頭中縱向殘余應力的值。攪拌摩擦焊接頭的最大縱向殘余應力為50 MPa左右，而氬弧焊接頭的縱向殘余應力最大值已經達到了90 MPa左右。造成這種情況的原因，可能有以下幾個方面：首先，攪拌摩擦焊是一種固態連接技術，材料未達到熔點，因此避免了較大的熱應力；其次，相對于氬弧焊接頭中容易出現粗大晶粒組織的情況，攪拌摩擦焊焊接接頭中晶粒得到細化，且各個區域之間晶粒大小過渡較之氬弧焊要平緩許多，故避免了較大的組織應力[4]；另外，攪拌摩擦焊不需添加焊材，同種材料自身便完成了焊接，這在一定程度上也會減小組織應力。以上幾個原因共同作用，導致了如圖8所示的情況，即攪拌摩擦焊接頭的縱向殘余應力值要遠遠小于氬弧焊接頭中縱向殘余應力值。

而對于橫向殘余應力來說，7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭中的橫向應力最大值則要大于氬弧焊接頭中的橫向殘余應力最大值，如圖 9 所示，造成這種情況的原因有可能是由于7020鋁合金氬弧焊采用的是雙面雙道焊，有可能兩次施焊的殘余應力有抵消的部分。

表5　7020鋁合金氬弧焊接頭殘余應力測試結果

4　結　論

本次試驗選用了7020鋁合金兩種材料，采用氬弧焊及攪拌摩擦對其施焊，并對接頭的殘余應力進行了測試對比分析。結論如下：

(1) 兩種焊接方法得到的焊接接頭中，縱向應力均要大于橫向應力，且分布規律十分明顯，縱向應力為主要應力。縱向應力的分布規律是最大值在熱影響區處出現，呈拉應力狀態。焊縫的殘余應力稍低于熱影響區，但仍然是拉應力。由焊縫熱影響區繼續向外，隨著測點離焊縫中心距離越來越遠，縱向殘余應力逐漸變成壓應力狀態，母材區域為壓應力。

(2)7020鋁合金FSW、MIGW兩種焊接接頭中，攪拌摩擦焊縱向殘余應力值要遠遠小于氬弧焊縱向殘余應力值。攪拌摩擦焊接頭的最大縱向殘余應力為47.3 MPa，而氬弧焊接頭的縱向殘余應力最大值已經達到了74.3 MPa。

(3)7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭中的橫向應力則要大于氬弧焊接頭中的橫向殘余應力。

圖6　7020鋁合金氬弧焊接頭縱向殘余應力分布示意圖

圖7　7020鋁合金氬弧焊接頭橫向殘余應力分布示意圖

圖8　7020鋁合金兩種焊接方法得到的縱向殘余應力對比

圖9　7020鋁合金兩種焊接方法得到的接頭橫向殘余應力的比較

[1]中國船舶工業總公司，CB3395-92.殘余應力測試方法-鉆孔應變釋放法[S].中國船舶工業總公司，1992.

[2]王訓宏，王快社，沈洋，等. 攪拌摩擦焊和鎢極氬弧焊焊接接頭的殘余應力[J].機械工程材料，2007,31(1)：26-28.

[3]王娜. 中厚板焊接殘余應力測試的盲孔法研究[D]. 大連：大連理工大學，2007.

[4]陳懷寧,陳亮山,等.盲孔法測量殘余應力的鉆削加工應變[J].焊接學報，1994,(12)：276-280.

Research on Residual Stress of Argon Arc Welding and Friction Stir Welding for Aluminium Alloy of Carbody

SUNHeli,ZHANGTeng

(CRRC Datong Electric Locomotive Co., Ltd, Datong 037038 Shanxi, China)

This article makes a research by hole-drilling method on the residual stress of 7020 aluminum alloy abutting plates 6mm in thickness that are respectively welded by argon arc welding and friction stir welding. The result shows that the longitudinal stresses of the welded joints by two ways of welding are larger than the lateral stresses. After the comparison between the longitudinal residual stresses of welded joints to the 7020 aluminum alloy, it is found that the longitudinal residual stress by means of friction stir welding is far more less that of the argon arc welding. The maximum longitudinal residual stress of the friction stir welding is 50 MPa while that of the argon arc welding reaches 90 MPa.

7020 aluminum alloy; friction stir welding; argon arc welding; welding residual stress; hole-drilling method

1008-7842 (2016) 04-0099-04

??)男，工程師(

2015-12-18)

U260.32

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.25