疲勞加載下A7N01鋁合金焊接殘余應力演變研究

邵光學，柯 楊，岑升波

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

疲勞加載下A7N01鋁合金焊接殘余應力演變研究

邵光學1，柯 楊2，岑升波2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

采用超聲法研究A7N01鋁合金焊接接頭的殘余應力分布及其在疲勞加載過程中的變化。A7N01鋁合金焊接接頭的殘余應力峰值出現在焊縫區域，且為拉應力，母材區的殘余應力為壓應力。在低應力水平下，焊接接頭焊縫區的殘余應力值先增大后減小，應力的釋放率與外加應力以及自身殘余應力水平有關。外加載荷越大，焊接接頭的殘余應力釋放越多，焊縫區的殘余應力峰值降低，但100 MPa以下的應力不能釋放母材區的殘余應力。

A7N01鋁合金；焊接接頭；殘余應力；疲勞加載

0 前言

焊接過程中出現殘余應力無法避免，焊接后調修的不同工藝也會造成殘余應力大小和分布的不同，而很多疲勞現象都與殘余應力有關[1-3]，例如疲勞裂紋的形成與擴展、少數極高應力、平均應力、加載次序、裂紋遲滯效應、缺口應力集中等。承受疲勞載荷的零件，若存在壓縮殘余應力，會提高零件的疲勞強度，若存在拉伸殘余應力，則會降低疲勞強度。殘余應力是影響疲勞的一個重要因素，外部載荷和內部殘余應力的雙重作用通常導致焊縫區和近縫區產生裂紋[4-6]。研究和實踐表明，焊接接頭的疲勞破壞一般起裂于焊接接頭的焊趾部位（即母材與焊縫的過渡處）[7-9]。在循環載荷作用下，零件上的殘余應力大小和分布會發生顯著變化。因此，研究殘余應力的大小和分布以及殘余應力與疲勞之間的關系對于評價結構的疲勞強度具有重要意義。

本研究旨在考察A7N01鋁合金焊接接頭在循環疲勞加載下，試驗循環不同周次下的殘余應力變化，從而獲得殘余應力在不同循環周次下的演變規律。

1 試驗材料和方法

試驗材料為A7N01S-T5的MIG焊（熔化極惰性氣體保護電弧焊）焊接試板加工為疲勞試件，試件尺寸如圖1所示。

圖1 試驗件的尺寸

采用超聲波殘余應力儀（HT1000）測試焊接接頭疲勞試樣的殘余應力，測試位置如圖2所示，自焊縫中心起共布置9個測試點，其中1～7號測點間距5 mm，7～9號測點間距10 mm。

圖2 焊接接頭疲勞試樣殘余應力測試布點

試樣在低頻液壓脈動疲勞試驗機上（型號PWS-100）進行疲勞加載，應力比R=0，加載載荷分別為35MPa、80MPa和100MPa，加載力按正弦曲線變化。在試驗循環 0、1、103、104、105、106等周次時，在 9個測試點分別測試殘余應力。

2 循環載荷下焊接接頭殘余應力演變規律

2.1 加載35 MPa下焊接接頭殘余應力變化

35 MPa循環應力下焊接接頭殘余應力隨循環次數的變化曲線以及各測試點殘余應力隨循環次數的變化曲線如圖3所示。

圖3 加載應力35 MPa下焊接接頭殘余應力

焊縫區域的殘余應力最大，且為拉應力，峰值82.29 MPa出現在焊縫中心。隨著與焊縫中心距離的增加，殘余應力減小，在母材區為負值壓應力，殘余應力的分布符合一般焊接接頭的殘余應力分布趨勢。經過1次循環作用，試樣的殘余應力分布發生了一定的變化，各個測試點的殘余應力峰值不同程度增大。經過2 200次循環作用后，焊縫區和距焊縫區5mm、10mm和15mm處，呈拉應力且峰值繼續增大，而遠離焊縫的母材區25 mm、30 mm、40 mm和50 mm處，呈壓應力且峰值減小向0點靠近。經過10000次循環作用，焊縫區和靠近焊縫區的5mm、10 mm和15 mm處，各點殘余拉應力峰值減小，向0靠近，距焊縫較遠的母材區25 mm、30 mm、40 mm和50 mm處，壓應力峰值較2 200次循環下有所增大。經過105次循環作用，試樣的殘余應力分布變化與104次循環作用后的分布變化相反，焊縫區和靠近焊縫區的峰值小幅增大，但是均未超過最大值，母材區峰值再次減小向0點靠近。經過106次循環后，試樣殘余應力的變化趨勢為焊縫區和近焊縫區殘余應力峰值減小，母材區殘余應力峰值增大，壓應力較大。107次循環后比106次循環后的殘余應力分布更靠近0點，峰值較疲勞加載前有較大幅度的降低（最大降低45 MPa，殘余應力釋放率83%），分布更加均勻，而母材峰值增大，壓應力增大。在疲勞中，壓應力能抑制裂紋的萌生和擴展，有利于延長試樣的疲勞壽命。

2.2 加載80 MPa下焊接接頭殘余應力變化

80 MPa循環應力下焊接接頭殘余應力隨循環次數的變化曲線以及各測試點殘余應力隨循環次數的變化曲線如圖4所示。

圖4 加載應力80 MPa下焊接接頭殘余應力

焊縫區（0 mm、5 mm、10 mm 處）為拉應力，峰值出現在熔合線和焊縫中心之間（5 mm處），未加載應力前的最大峰值為71.97 MPa。母材區域為壓應力。經過1次循環作用后，焊縫區0 mm、5 mm和10 mm處峰值降低，向0靠近；母材區40 mm處殘余壓應力峰值減小，而其他測點的峰值增大，壓應力增加。經過2 200次循環后，試樣的殘余應力值都向負值偏移，焊縫區的殘余應力仍為拉應力，但峰值下降。母材區的殘余應力仍為壓應力，但峰值增加。經過104次循環后，焊縫區域各點拉應力峰值增大，母材區域壓應力峰值減小。經過105和106次循環后，試樣的殘余應力分布相對于104次循環下的變化不大，各點的殘余應力都比較穩定，應力沒有再釋放。整體上看，經過2 200次循環焊縫區應力得到釋放，而母材區沒有得到釋放，104次循環后，試樣的殘余應力沒有再得到釋放。

2.3 加載100 MPa下焊接接頭殘余應力變化

100 MPa循環應力下焊接接頭殘余應力隨循環次數變化曲線以及各測試點殘余應力隨循環次數變化曲線如圖5所示。

焊縫區域（0 mm、5 mm、10 mm處）為拉應力，峰值出現在熔合線和焊縫中心之間（5 mm處），在未加載應力之前最大峰值為106.17 MPa，母材區為壓應力。經過1次循環作用后，焊縫區（0 mm、5 mm、10 mm）為拉應力，峰值小范圍增大。母材區各點波動范圍也不大，其中20 mm、25 mm處殘余應力幾乎沒有變化，而30 mm、40 mm和50 mm處殘余應力的壓應力峰值增大。經過2 200次循環作用后，焊縫區和母材區各點殘余應力值都比較穩定，幾乎沒有變化，殘余應力沒有得到釋放。從104次循環開始，焊縫的殘余應力降低，焊縫區域的殘余應力逐步得到釋放，峰值直線下降，焊縫中心殘余應力值從106.17MPa下降至34.81MPa，釋放率為67.2%；距離焊縫中心5mm處的殘余應力從102.33MPa下降至36.1 MPa，釋放率為64.7%；距離焊縫中心10mm處殘余應力從85.42 MPa下降到29.38 MPa，釋放率為65.6%。母材區的殘余應力為壓應力，與未加載應力時相比，106次循環后殘余應力的峰值變化不大，隨著循環次數的增加，壓應力緩慢增大，母材各點的殘余應力在-40～-20MPa波動，母材區的殘余應力在100 MPa作用下，經過106次循環殘余應力并未得到釋放，甚至略微增大。

2.4 循環載荷下焊接接頭殘余應力變化

在焊接過程中，焊接熱輸入引起材料不均勻的局部加熱，熔化焊縫區，而毗鄰熔池的高溫區材料的熱膨脹受到周圍材料的限制，產生不均勻的壓縮塑性變形，在冷卻過程中，已發生塑性變形的材料（如長焊縫的兩側）又受周圍條件的制約而不能自由收縮，在不同程度上被拉伸，從而形成殘余拉應力[10]。同時熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時也會產生相應的拉應力,而母材在試樣的自身相平衡內應力下為壓應力。殘余應力從微觀上來說來源于位錯造成的晶格畸變而引起的彈性應力場，若外加應力與焊接殘余應力疊加后超過材料的屈服強度，則會產生局部塑性變形，導致焊接殘余應力得到釋放并重新分布，降低殘余應力峰值。但由于循環工作載荷下焊接殘余應力的松弛較為復雜，其松弛條件需要進一步確定。

圖5 加載應力100 MPa下焊接接頭殘余應力

焊接接頭在35 MPa循環應力作用下，不同循環次數下試樣的殘余應力分布一直在波動，殘余應力峰值先增大后降低。最終的殘余應力與未加載應力時相比，焊縫區域的殘余應力得到一定的釋放，峰值降低，平均降低40 MPa。母材區域始終呈現殘余壓應力，且壓應力峰值逐漸增大，最終比未加載時壓應力峰值增加25 MPa。7N01的母材屈服強度為285～300 MPa，熱影響區的屈服強度約為200MPa，焊縫的屈服強度約為180MPa。在35MPa載荷下，開始外加應力與焊縫殘余應力相疊加并未超過接頭的屈服強度，焊縫區域無局部的塑性變形，焊縫殘余應力得不到釋放。但是在外加載荷的循環往復作用下，位錯隨之產生運動、增殖、塞積和纏結，因為外加應力較小，位錯被釘扎而沒有足夠的能力使之開動，導致晶格畸變越發嚴重而引起彈性應力場增大，使得焊縫區域在循環前期殘余應力增大。當出現某個微區的屈服強度小于由外加動應力導致的位錯群應力場和由殘余應力引起的源位錯的應力場時，塞積得以開通，材料產生微觀塑性變形，殘余應力得到釋放。而母材區域的屈服強度很大，且位錯釘扎引起循環硬化效果有限，不足以使母材區域發生局部屈服，應力未得到釋放，但位錯群應力場增大而峰值略微上升。

焊接接頭在80 MPa循環應力作用下，焊縫區域的殘余應力在1次和2 200次循環后均明顯下降，應力得到釋放，但是104次循環后，焊縫區域殘余應力表現為小幅度增長后保持穩定，未繼續釋放。而母材區域的殘余應力仍為壓應力，并且應力值變化不大，應力未得到釋放。在1次和2200次循環時，焊縫區域焊接殘余應力與循環應力之和超過了初始屈服強度，焊縫局部發生塑性變形，焊接殘余應力發生松弛，應力得到釋放。在104次循環后，殘余應力值不再發生太大變化，這是因為在外加循環應力下，由位錯運動、增殖和纏結引起的殘余應力增大和焊縫區域位錯纏結的開動與局部發生塑性變形應力釋放的效果相抵消，導致焊縫區域的殘余應力在隨后循環作用下沒有太大變化。而母材區域的殘余應力為壓應力，與外加應力相抵消，不能使母材發生屈服，因而不能減小其殘余應力峰值，反而在位錯的增殖纏結和材料應力的自平衡作用下峰值有所增大。

焊接接頭在100MPa循環應力作用下，經過1次循環時，焊縫區域殘余應力峰值增大，母材區域值穩定不變。經過2 200次循環后，焊縫區域的殘余應力直線下降，熱影響區殘余應力由拉應力變為壓應力，母材殘余應力仍為壓應力且略有增大，試樣整體的殘余應力在2 200次循環后逐步釋放，焊縫區域的殘余應力值平均降低40 MPa。100 MPa的循環應力作用下，焊縫區域焊接殘余應力與循環應力之和超過了初始屈服強度，焊縫局部發生塑性變形，焊接殘余應力發生松弛，應力得到釋放，并且由于外加應力較大，在隨后的循環作用下與殘余應力相疊加使焊縫區域局部發生塑性變形，殘余應力不斷釋放。熱影響區的殘余應力與外加應力也超過了該處的屈服強度，使得應力得到釋放，而殘余應力峰值的下降改變了內應力場，試樣內部應力降低并重新分布，導致熱影響區殘余應力由拉應力變為壓應力。母材區域外加應力與殘余應力疊加之和仍未超過其屈服強度，不能使殘余應力釋放，殘余應力的峰值波動不大。

3 結論

（1）A7N01鋁合金焊接接頭的殘余應力峰值出現在焊縫區域，且為拉應力，母材區域的殘余應力為壓應力。

（2）在加載載荷較低應力水平下，隨著循環周次的增加，焊接接頭焊縫區域的殘余應力值先增大后降低，應力的釋放率與外加應力和自身殘余應力水平有關。

（3）外加載荷越大，焊接接頭的殘余應力釋放越多，焊縫區域的殘余應力峰值降低，但是100 MPa以下的應力不能釋放母材區域的殘余應力。

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Residual stress evolution of welding joint of A7N01 aluminum alloy under fatigue load

SHAO Guangxue1，KE Yang2，CEN Shengbo2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The distribution of residual stress of A7N01 aluminum alloy welding joint and the evolution of residual stress under fatigue load were tested through ultrasound method.The residual stress peak value was located in the welding seam which was tensile stress，and the base metal showed compress residual stress.Under fatigue loading of low level，the residual stress of welding seam increased first and then decreased，the released rate of residual stress was related to the loading stress and the residual stress of the welding seam itself.The greater the load，the more residual stress released，which led to the decrease of residual stress peak value of welding seam.However，the residual stress of base metal could not be released under the 100 MPa fatigue load.

A7N01 aluminum alloy；welding joint；residual stress；fatigue load

TG457.14

A

1001-2303（2017）10-0071-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.15

本文參考文獻引用格式：邵光學，柯楊，岑升波.疲勞加載下A7N01鋁合金焊接殘余應力演變研究[J].電焊機，2017，47（10）：71-75.

2017-05-25；

2017-07-19

邵光學（1977—），男，高級工程師，本科，主要從事高速列車鋁合金車體焊接結構工藝及性能研究工作。E-mail：xmwang991011@163.com。