高速列車鋁合金車體超聲波沖擊消除焊接殘余應力方法研究

徐 野，韓曉輝，葉結和，王素環，李帥貞

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

隨著高速列車輕量化要求的不斷提高，鋁合金材料廣泛應用于高速列車制造[1]，其中6系鋁合金因其較好的加工性、高比強度以及良好的焊接性[2-3]和抗應力腐蝕性[2]應用范圍較廣。但鋁合金材料在焊接熱循環過程中因急劇的非均勻加熱和冷卻不可避免地會產生較大的焊接殘余應力。此外，焊件自身剛度以及受工裝夾具的剛性約束作用使得焊接應力更大、分布更復雜。焊件中殘余拉應力的存在會降低結構的抗疲勞性能，增大材料應力腐蝕裂紋的敏感性[4]，影響焊接結構的使用性能和服役壽命。因此，深入研究鋁合金車體關鍵部位的焊接殘余應力及分布狀態，探索消除或降低殘余拉應力的有效方法十分必要。本研究通過模擬牽引梁與枕梁連接部位的對接焊結構，采用超聲波沖擊焊后消應力方法[5]，結合盲孔法[6]對枕梁結構的焊后殘余應力消減效果和沖擊后的材料性能進行試驗研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

鋁合金材料選用滿足JIS H 4100標準要求的6系鋁合金正方形橫截面的型材（壁厚11 mm），其母材化學成分、力學性能及接頭力學性能要求如表1和表2所示。

1.2 焊接材料

焊絲選用牌號ER5356（φ1.6mm）鋁合金實心焊絲，滿足ISO18273標準要求，焊絲的化學成分如表3 所示。保護氣體選用高純氬氣[φ（Ar）≥99.999%]，滿足GB/T4842標準要求。

表1 鋁合金材料化學成分%

表2 6系鋁合金母材及接頭力學性能

表3 ER5356鋁合金焊絲化學成分%

1.3 焊接工藝

焊接工藝采用模擬牽引梁與枕梁連接部位的對接焊焊接結構，同樣在上下兩端模擬現場對接焊縫的剛性約束狀態下利用現行的焊接工藝規范進行焊接制備，如圖1所示。

圖1 剛性約束狀態下焊接的鋁合金對接焊

對接焊縫的坡口形式為單V型，背面加襯墊正面焊接兩道，坡口角度70°、鈍邊尺寸1 mm及組焊間隙1～2 mm。焊接工藝參數如表4所示。

1.4 消應力方法

試驗選用HY2050型豪克能超聲波沖擊消應力設備進行應力處理。其原理為：殘余應力的物理本質是金屬材料的晶格畸變，而晶格畸變在很大程度是由位錯引起，通過超聲沖擊方式消除殘余應力的機理就是利用超聲波的能量使焊接殘余應力區產生塑性變形，從微觀角度即位錯通過滑移方式從高能位運動到相對穩定的低能位狀態，使殘余應力重新分布，從而降低殘余應力水平。

超聲沖擊處理范圍為焊縫及其兩側各100 mm內，超聲波沖擊處理工藝參數如表5所示。

由于焊縫余高已被銑平，所以超聲波沖擊頭形狀選用扁平沖擊頭，超聲波沖擊處理過程如圖2所示。

表4 焊接工藝參數

表5 超聲波沖擊工藝參數

圖2 超聲波沖擊處理過程

2 試驗結果與分析

2.1 超聲波沖擊處理后殘余應力測試結果

采用鉆頭直徑1 mm的盲孔法測試超聲波沖擊處理前后6系鋁合金型材模擬結構焊件上板表面與下板表面的焊接區殘余應力，測點位置如圖3所示，其中 1～7、15～21、29～35 為沖擊處理前的應力測試點，其余點為沖擊處理后的應力測試點。

2.1.1 激勵電流1.6 A

（1）殘余應力消除效果。

處理前后的殘余應力狀態如圖4所示。可以看出，縱向殘余應力和橫向殘余應力都呈現出拉伸應力狀態。高值殘余應力主要集中在焊縫及其附近區域，其中縱向最高應力達197.4 MPa，橫向最高應力為190.2 MPa。經過超聲波沖擊處理后，焊縫和熱影響區以及附近部位的殘余應力均明顯降低，最低應力下降至38.5 MPa，但仍為殘余拉應力。

超聲波沖擊處理后殘余應力變化率如圖5所示。可以看出，縱向殘余應力和橫向殘余應力平均分別下降37.2%和30.5%，殘余應力消除率達到30%以上。

圖3 模擬結構型材焊件殘余應力測點位置

（2）殘余應力均化效果。

處理前后的殘余應力分布如圖6所示，對于縱向殘余應力，初始應力為197.4～101.2 MPa，經過超聲波沖擊處理后，殘余應力變為124.5～38.5 MPa，根據公式計算得，縱向殘余應力的均化率為10.6%。對于橫向殘余應力，初始應力為190.2～61.5 MPa，經過超聲波沖擊處理后，殘余應力變為124.1～38.9MPa。計算可得橫向殘余應力的均化率為33.8%。可見當激勵電流為1.6 A時，型材結構焊接件經超聲波沖擊處理后，殘余應力的均化效果較好。

圖4 激勵電流為1.6 A時超聲波沖擊處理前后殘余應力狀態

圖5 激勵電流1.6 A時超聲波沖擊處理后殘余應力變化率

圖6 激勵電流1.6 A時超聲波沖擊處理前后殘余應力分布

2.1.2 激勵電流2.0 A

（1）殘余應力消除效果。

處理前后的殘余應力狀態如圖7所示。可以看出，縱向和橫向殘余應力都呈拉伸應力狀態。最高殘余拉應力主要集中在焊縫區域，其中縱向最高應力達226.8 MPa，橫向應力為219 MPa。處理后，焊縫縱向和橫向殘余拉應力都明顯降低，最低應力分別下降到-26.6 MPa和-20.8 MPa，即由拉應力轉變為壓應力，但絕大多數的測點仍為殘余拉應力。

計算超聲波沖擊處理后的殘余應力變化率如圖8所示，縱向殘余應力和橫向殘余應力平均分別下降47.2%和39.1%。

圖7 激勵電流為2.0 A時超聲波沖擊處理前后殘余應力狀態

圖8 激勵電流2.0 A時超聲波沖擊處理后殘余應力變化率

（2）殘余應力均化效果。

處理前后的殘余應力分布特征如圖9所示。對于縱向殘余應力，初始應力為226.8～20.7 MPa，處理后，殘余應力范圍變為149.5～-26.6 MPa。根據公式計算得，縱向殘余應力的均化率為14.6%。對于橫向殘余應力，初始應力為219～25.2 MPa，經過超聲波沖擊處理后，殘余應力為127.1～-20.8 MPa。計算橫向殘余應力的均化率為23.7%。

不同激勵電流下進行超聲波沖擊處理后殘余應力消除效果如表6所示。

由表6可知，當激勵電流為1.6 A時，殘余應力消除率約為34%，應力均化率約為44%，殘余應力的消除率和均化率均明顯增加；激勵電流2.0 A時，殘余應力消除率約43%，消除殘余應力的效果好于電流1.6 A時，但殘余應力均化率約為19%。此外觀察發現，與激勵電流1.6A相比，在2.0A下經超聲波沖擊后被處理表面粗糙度有所增大。因此，綜合考慮消除應力的效果和沖擊處理表面的粗糙度，選擇激勵電流為1.6 A為宜。由以上可知，超聲沖擊消除殘余應力的效果隨著激勵電流的提高而增大。激勵電流越大，則超聲波能量越高，使得位錯滑移阻力較小易于形成低組態能構造，實現松弛殘余應力的目的。

圖9 激勵電流2.0 A時超聲波沖擊處理前后殘余應力分布

表6 超聲波沖擊處理效果

2.2 模擬結構件取樣力學性能試驗結果

根據超聲波沖擊處理后殘余應力的下降率和均化率以及鋁合金焊接板面的沖擊粗糙程度等因素，確定激勵電流選為1.6 A。

在1.6 A激勵電流下經過超聲沖擊處理后，取樣接頭標準拉伸試樣在1 mm/min速率條件下進行室溫拉伸試驗和彎曲試驗，結果如表7所示，拉伸與彎曲試驗后的試樣形貌特征如圖10所示。A7N01ST5型材對接接頭經過超聲沖擊處理后，拉伸試樣破斷在焊縫中，接頭抗拉強度超過JIS Z 3040規定不小于285 MPa的要求。彎曲試樣經過180°彎曲后完好。

表7 型材對接接頭超聲沖擊處理后的拉伸試驗與彎曲試驗數據

圖10 超聲沖擊處理后拉伸和彎曲試樣形貌

綜上所述，選擇激勵電流1.6 A時，超聲波沖擊法的殘余應力消除效果和均化效果均較好，縱向殘余應力和橫向殘余應力分別降低37.2%和30.5%，縱向殘余應力和橫向殘余應力分布的均化率也分別達到10.6%和33.8%，且接頭的拉伸、彎曲及疲勞等基本力學性能符合標準規定要求。

3 結論

采用HY2050型豪克能超聲波沖擊消應力設備對模擬牽引梁與枕梁連接部位的對接焊結構進行消應力處理，沖擊后取樣進行殘余應力、拉伸、彎曲、疲勞試驗。結果表明：

（1）當激勵電流為1.6 A時，殘余應力消除率約為34%，均化率約為44%，取樣接頭的力學性能滿足標準要求；激勵電流2.0 A時，殘余應力消除率約43%，均化率約19%。隨著激勵電流的增加，殘余應力的消除率相應增大，表面粗糙程度隨之加劇。

（2）超聲波沖擊的主要優點是適用于局部高應力區的消應力處理，且操作簡單靈活、節能無污染、處理周期短。缺點是不適于大結構件整體結構消應力處理，且沖擊處理后鋁合金材料表面粗糙度增大。

參考文獻：

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