靜態拉伸載荷下焊接殘余應力演變規律

孫海榮，王遠霏，龐學苗，蔣 潔

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

焊接殘余應力的存在不僅會影響高速車體制造的尺寸精度、尺寸穩定性，還會與焊接缺陷、接頭幾何不連續、冶金非均勻等因素交互作用，影響焊接結構的抗脆斷能力、耐腐蝕性能和耐疲勞性能等。鋁合金車體焊接結構件在服役過程中，焊接殘余應力受到工作應力影響[1-2]。若靜態工作應力與焊接殘余應力疊加后超過材料的屈服強度時產生局部塑性變形，將導致焊接殘余應力重新分布，靜態工作應力卸載后，可以降低殘余應力峰值[3-9]。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

圖1 實際焊接試板

試驗材料選用高速列車常用的A6005A-T6鋁合金板材。試板的焊接由唐車公司按照工廠實際焊接工藝焊接完成，如圖1所示，焊后的試板尺寸為600mm×300 mm×12 mm。采用焊絲為ER5087鋁鎂焊絲。A6005A-T6鋁合金和ER5087焊絲的化學成分如表1所示。

表1 A6005A-T6鋁合金和焊絲化學成分%

1.2 X射線衍射法測量殘余應力

X射線法殘余應力測量設備為便攜式iXRD殘余應力儀，測試標準參考GB/T 7704-2008無損檢測：X射線應力測定方法。

X射線衍射法測量殘余應力原理如圖2所示，當入射束I以角度θ照射到一個無應力的晶體上，由于一定的金屬材料其晶面間距 d是一定的，所以當X射線射入金屬點陣后，相臨兩原子面的X射線光程差d·sin2θ為波長λ的整數倍時將發生衍射現象。當晶體存在殘余應力時，其晶面間距將發生變化，通過布拉格公式2d·sinθ=nλ計算可得相應的晶面間距d。根據材料的彈性模量即可求出殘余應力大小。

2 試驗結果

2.1 焊接平板試樣單級靜拉伸前后殘余應力變化規律

為獲得動態載荷下殘余應力的變化規律，首先研究靜態拉伸載荷下焊接接頭的殘余應力變化規律。將A6005A-T6鋁合金焊接試板加工成尺寸為300 mm×120 mm×8 mm的試樣，并置于拉伸試驗機上進行拉伸，最大拉伸應力參考焊接接頭拉伸試驗結果，拉伸強度150 MPa，約為焊接接頭屈服強度的0.9倍，拉伸速度0.2 kN/s。拉伸試驗前后均對試樣進行X射線衍射法殘余應力測試，測點如圖3所示，x方向為平行焊縫方向，y方向為垂直于焊縫方向，以x軸為中線，原點為中心，沿y方向布置距焊縫中心 0 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±25 mm、±35 mm、±45 mm、±55 mm和±65 mm處共17個測點。

圖2 晶體對X射線的衍射

平板試樣靜態拉伸前后的殘余應力測量數據如表2所示。平板試樣靜態拉伸前后的焊接殘余應力曲線如圖4所示。由圖4可知，拉伸試驗前試板的焊縫區及近縫區存在較大的殘余拉應力，縱向殘余應力峰值為125MPa，橫向殘余應力峰值為155MPa；經過150 MPa的載荷（外載）拉伸后，試板橫向殘余應力和縱向殘余應力均發生了很大程度的釋放，縱向殘余應力峰值降為48 MPa，橫向殘余應力峰值降為56 MPa。這是因為拉伸外載和殘余拉應力的疊加超過焊接接頭的屈服強度163 MPa，從而產生了局部塑性變形，外載卸載后，殘余應力得到了釋放。

圖3 靜態拉伸試驗試樣殘余應力測點布置

表2 平板試樣靜態拉伸前后的殘余應力測試結果

2.2 逐級靜載拉伸加載條件下焊接平板試樣殘余應力變化規律

由圖4可知，經單級（一次）靜載150 MPa拉伸后進行卸載，焊接接頭殘余應力發生釋放。為進一步研究焊接接頭殘余應力在靜態拉伸載荷作用下的變化規律，將A6005A-T6鋁合金焊接試板加工成尺寸300 mm×80 mm×6 mm的試樣，記為P-2，用于逐級靜載拉伸試驗。

逐級靜載拉伸試板及焊接殘余應力釋放測量位置如圖5所示，其中1號應變片位于焊縫中心（距焊縫中心0 mm）處，2號應變片位于熔合線（距焊縫中心7 mm）處，3號應變片位于熱影響區（距焊縫中心17 mm），4號應變片位于母材區（距焊縫中心27mm），工作應力逐級加載，分別為 30MPa、60MPa、90 MPa、120 MPa、150 MPa。

圖4 平板試樣靜拉伸前后殘余應力曲線

圖5 逐級靜載拉伸試板及測量位置

P-2試樣靜態拉伸載荷逐級加載作用下焊接殘余應力的演變過程如圖6～圖9所示。其中橫坐標只表示幾次逐級加載過程，不表示具體加載時間；縱坐標表示逐級加載后應變片的總應變。由圖6～圖9可知，當工作載荷分別為30MPa和60MPa時，卸除工作載荷后，動態應變測量系統中4個通道（對應4個應變片）測量結果為0，這表明試板焊接殘余應力未發生松弛。當工作載荷為90 MPa時，試板中殘余應力峰值與工作載荷之和超過材料的屈服強度，材料發生屈服。工作載荷卸除后，動態應變測量系統4個通道的總應變數值均發生變化，1號應變片（焊縫中心）為 65.51×10-6，2號應變片（熔合線）為 60.11×10-6，3號應變片（熱影響區）為57.21×10-6，4 號應變片（母材）為 55.11×10-6。1～4 號應變片均處于殘余拉應力區，4個區域的殘余拉應力與工作載荷疊加后超過接頭的屈服強度，材料發生塑性變形，產生了拉伸塑性應變。同時焊接殘余拉應力發生松弛，從而產生壓縮的彈性應變，此彈性應變量小于0。1～4號應變片給出的正是拉伸的塑性應變與壓縮的彈性應變之和的總應變，由于拉伸塑性應變量大于壓縮彈性應變量，所以總應變仍為正值。由圖5可知，隨著載荷的繼續增加，卸載后各個應變片總應變數值越大，表明試板焊接殘余應力釋放得越多。當工作載荷達到150 MPa時，各個應變數值達到最大，1號應變片（焊縫中心）為 371.44×10-6，2號應變片（熔合線）為 300.27×10-6，3號應變片（熱影響區）為 241.02×10-6，4號應變片（母材）為 223.07×10-6。

圖6 距焊縫中心0 mm（1號應變片）

圖7 距焊縫中心7 mm熔合線（2號應變片）

圖8 距焊縫中心17 mm熱影響區（3號應變片）

圖9 距焊縫中心27 mm母材區（4號應變片）

P-2試板1～4號各個應變片在不同工作載荷下的總應變演變如圖10所示。可以看出，隨著工作載荷的增大，各應變片的總應變增加，這表明釋放的焊接殘余應力也相應增加，即殘余應力發生的松弛量增加，焊縫中心的松弛量最大。

圖10 1～4號應變片總應變演變曲線

3 結論

平板焊接試板經過靜態拉伸（加載載荷150MPa）后殘余應力發生很大程度的釋放，縱向殘余應力峰值由125 MPa降為48 MPa，橫向殘余應力峰值由155 MPa降為56 MPa，這是因為外載與殘余應力疊加超過了材料的屈服強度，產生了塑性變形，殘余應力發生了釋放。建議焊接構件使用前進行一定程度的靜拉伸，以消除部分殘余應力，尤其是降低殘余應力的峰值。

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