去應(yīng)力退火對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力與力學(xué)性能的影響與分析

王小博 張旭東 李昊丞

去應(yīng)力退火對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力與力學(xué)性能的影響與分析

王小博 張旭東 李昊丞

（北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854）

針對(duì)5A06鋁合金圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件，對(duì)其去應(yīng)力退火熱處理，分別研究了去應(yīng)力退火對(duì)其焊縫及焊縫附近表面橫向殘余應(yīng)力、5A06鋁合金抗拉強(qiáng)度和焊縫抗拉強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：120℃去應(yīng)力退火和180℃去應(yīng)力退火對(duì)焊縫及焊縫附近的表面橫向殘余應(yīng)力和5A06鋁合金抗拉強(qiáng)度有降低效果，但對(duì)焊縫的抗拉強(qiáng)度卻基本沒有影響。

5A06鋁合金；焊接結(jié)構(gòu)件；去應(yīng)力退火；表面殘余應(yīng)力；抗拉強(qiáng)度

1 引言

焊接過程是一個(gè)對(duì)焊件局部加熱而后逐漸冷卻的過程，這種不均勻加熱冷卻形成的溫度梯度場(chǎng)將導(dǎo)致焊件各部分不均勻變形并在焊件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，待焊件冷卻后溫度重新恢復(fù)到均勻狀態(tài)，該內(nèi)應(yīng)力將被殘存下來形成殘余應(yīng)力[1]。殘余應(yīng)力的存在對(duì)焊件結(jié)構(gòu)的脆性破壞、疲勞破壞、應(yīng)力腐蝕開裂以及尺寸穩(wěn)定性都有不良的影響。尤其對(duì)于鋁合金，其熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)分別比鋼大1～2倍，焊接殘余應(yīng)力問題更加突出[2]。因此，采用各種有效措施減小或消除焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力具有極其重要的意義。

目前，常用的減小或消除焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的措施有熱處理法、振動(dòng)時(shí)效法、錘擊法、靜拉伸法、超聲波法等[3]。其中，熱處理消除殘余應(yīng)力方法主要是去應(yīng)力退火，包括加熱階段和保溫階段，在加熱階段，金屬材料的屈服強(qiáng)度會(huì)隨著去應(yīng)力退火溫度的升高而降低，當(dāng)焊件內(nèi)部的殘余應(yīng)力超過了該溫度下金屬材料的屈服強(qiáng)度，則焊件會(huì)發(fā)生塑性變形，使殘余應(yīng)力得到一定的緩和；在保溫階段，尤其在高溫狀態(tài)下，金屬材料會(huì)因發(fā)生蠕變現(xiàn)象（高溫松弛）使得殘余應(yīng)力得到充分降低[4]。

以5A06鋁合金圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件為對(duì)象，對(duì)其去應(yīng)力退火，采用超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)方法檢測(cè)去應(yīng)力退火前后縱向焊縫及焊縫附近表面的橫向殘余應(yīng)力（所測(cè)殘余應(yīng)力方向與縱向焊縫方向平行），以研究去應(yīng)力退火對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響；同時(shí)，檢測(cè)去應(yīng)力退火前后的5A06鋁合金抗拉強(qiáng)度和縱向焊縫抗拉強(qiáng)度，以研究去應(yīng)力退火對(duì)圓筒形結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能影響。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)試件

本試驗(yàn)所使用的試件為圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件，如圖1所示，材料為鋁合金5A06，加工硬化狀態(tài)，圓筒直徑為760mm、壁厚為3mm、長(zhǎng)度為1000mm，縱向焊縫的接頭形式為對(duì)接（無(wú)坡口），采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊單面焊雙面成型工藝，試件數(shù)量為3件。

圖1 圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件圖

2.2 試驗(yàn)過程

將加工完成的3件圓筒形試件編號(hào)01#、02#和03#，分別對(duì)3件試件進(jìn)行如下試驗(yàn)：

a. 01#試件：對(duì)該試件120℃去應(yīng)力退火，并采用超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)方法檢測(cè)去應(yīng)力退火前后焊縫及焊縫附近表面的橫向殘余應(yīng)力（待測(cè)殘余應(yīng)力方向與焊縫方向平行），檢測(cè)點(diǎn)18個(gè)（檢測(cè)點(diǎn)連線與焊縫方向垂直），具體如圖2所示；同時(shí)，在去應(yīng)力退火后的試件上截取5A06鋁合金抗拉試片10件、縱向焊縫抗拉試片8件，并檢測(cè)試片的抗拉強(qiáng)度。其中，120℃去應(yīng)力退火規(guī)范：120℃熱處理，保溫4h，空冷。

圖2 殘余應(yīng)力檢測(cè)位置與方向

b. 02#試件：對(duì)該試件180℃去應(yīng)力退火，并采用超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)方法檢測(cè)去應(yīng)力退火前后焊縫及焊縫附近表面的橫向殘余應(yīng)力（待測(cè)殘余應(yīng)力方向與焊縫方向平行），檢測(cè)點(diǎn)18個(gè)（檢測(cè)點(diǎn)連線與焊縫方向垂直），如圖2所示；同時(shí)，在去應(yīng)力退火后的試件上截取5A06鋁合金抗拉試片10件、縱向焊縫抗拉試片8件，并對(duì)試片的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。其中，180℃去應(yīng)力退火規(guī)范：180℃熱處理，保溫4h，空冷。

c. 03#試件：對(duì)該試件不去應(yīng)力退火，在該試件上截取5A06鋁合金抗拉試片10件、縱向焊縫抗拉試片8件，并檢測(cè)試片的抗拉強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 縱向焊縫及焊縫附近的表面橫向殘余應(yīng)力檢測(cè)與分析

a 01#試件120℃去應(yīng)力退火前后 b 02#試件180℃去應(yīng)力退火前后

表1 去應(yīng)力退火前后焊縫及焊縫附近表面的橫向殘余應(yīng)力值

圖3a所示為01#試件120℃去應(yīng)力退火前后的焊縫及焊縫附近表面橫向殘余應(yīng)力對(duì)比圖，圖3b所示為02#試件180℃去應(yīng)力退火前后的焊縫及焊縫附近表面橫向殘余應(yīng)力對(duì)比圖。01#試件120℃去應(yīng)力退火前后與02#試件180℃去應(yīng)力退火前后的焊縫及焊縫附近表面橫向殘余應(yīng)力檢測(cè)值如表1所示，表中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

由表1和圖3a可知，01#試件的焊縫及距離焊縫中心約10mm范圍內(nèi)的表面橫向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，其他區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力；01#試件經(jīng)過120℃去應(yīng)力退火后，除個(gè)別點(diǎn)外，其它檢測(cè)點(diǎn)的表面橫向殘余應(yīng)力發(fā)生減小，即殘余應(yīng)力絕對(duì)值的平均值降低22MPa，約30.4%；同時(shí)，01#試件經(jīng)過120℃去應(yīng)力退火后，其焊縫及焊縫附近的表面橫向殘余應(yīng)力呈均勻化分布的特點(diǎn)。

由表1和圖3b可知，02#試件的焊縫及距離焊縫中心約15mm范圍內(nèi)的表面橫向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，其他區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力；02#試件經(jīng)過180℃去應(yīng)力退火后，除個(gè)別點(diǎn)外，其它檢測(cè)點(diǎn)的表面橫向殘余應(yīng)力減小，即殘余應(yīng)力絕對(duì)值的平均值降低13.5MPa，約27.4%；同時(shí)，02#試件經(jīng)過180℃去應(yīng)力退火后，其焊縫及焊縫附近的表面橫向殘余應(yīng)力呈均勻化分布的特點(diǎn)。

由以上分析可知，120℃去應(yīng)力退火和180℃去應(yīng)力退火對(duì)圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件的縱向焊縫殘余應(yīng)力都有降低效果，其降低殘余應(yīng)力的主要原因是圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件在去應(yīng)力退火加熱過程中，其焊縫及焊縫附近材料的屈服強(qiáng)度會(huì)隨著去應(yīng)力退火加熱溫度的升高而降低，當(dāng)焊縫及焊縫附近的殘余應(yīng)力超過該溫度下的材料屈服強(qiáng)度時(shí)，焊縫及焊縫附近的材料會(huì)發(fā)生塑性變形，使得殘余應(yīng)力發(fā)生緩和，即造成殘余應(yīng)力發(fā)生有限的降低。但是，120℃去應(yīng)力退火和180℃去應(yīng)力退火對(duì)圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件的縱向焊縫殘余應(yīng)力的降低效果卻相差不大，這主要是去應(yīng)力退火溫度較低造成的，即當(dāng)去應(yīng)力退火溫度較低時(shí)，焊縫及焊縫附近材料在保溫階段不會(huì)發(fā)生高溫蠕變現(xiàn)象，也就不會(huì)產(chǎn)生高溫蠕變引起的應(yīng)力松弛或殘余應(yīng)力降低，同時(shí)圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)約束對(duì)去應(yīng)力退火后殘余應(yīng)力的降低效果也有一定的影響。

3.2 5A06鋁合金的抗拉強(qiáng)度檢測(cè)與分析

01#試件120℃去應(yīng)力退火、02#試件180℃去應(yīng)力退火和03#試件未去應(yīng)力退火的5A06鋁合金抗拉強(qiáng)度檢測(cè)值如表2所示。

表2 去應(yīng)力退火前后5A06鋁合金抗拉強(qiáng)度

由表2可知，圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件的5A06鋁合金原材料在經(jīng)過去應(yīng)力退火后，其抗拉強(qiáng)度會(huì)有所減小。相比于03#試件，01#試件在經(jīng)過120℃去應(yīng)力退火后其5A06鋁合金原材料的抗拉強(qiáng)度平均值降低38.6MPa，約8.55%，02#試件在經(jīng)過180℃去應(yīng)力退火后其5A06鋁合金原材料的抗拉強(qiáng)度平均值降低46MPa，約10.19%。對(duì)于去應(yīng)力退火會(huì)降低5A06鋁合金材料抗拉強(qiáng)度，其原因可能是在去應(yīng)力退火過程中，材料內(nèi)部發(fā)生了部分回復(fù)與強(qiáng)化相β相析出，使得材料內(nèi)部的晶格畸變與晶格缺陷減少，晶粒長(zhǎng)大，致使材料的抗拉強(qiáng)度降低，尤其在保溫時(shí)間不變的情況下，其鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著去應(yīng)力退火溫度的升高而逐漸降低[5，6]。

3.3 縱向焊縫的抗拉強(qiáng)度檢測(cè)與分析

01#試件120℃去應(yīng)力退火、02#試件180℃去應(yīng)力退火和03#試件未去應(yīng)力退火的縱向焊縫抗拉強(qiáng)度檢測(cè)值如表3所示。由表3可知，相比于03#試件，01#試件在經(jīng)過120℃去應(yīng)力退火后其焊縫的抗拉強(qiáng)度平均值增大4.7MPa，約1.3%；02#試件在經(jīng)過180℃去應(yīng)力退火后其焊縫的抗拉強(qiáng)度平均值降低3.3MPa，約0.9%，即圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件的縱向焊縫在經(jīng)過去應(yīng)力退火后，其焊縫抗拉強(qiáng)度基本上不發(fā)生變化。5A06鋁合金作為非熱處理強(qiáng)化鋁合金，其材料的力學(xué)強(qiáng)度主要通過形變強(qiáng)化來實(shí)現(xiàn)。因此，焊接接頭力學(xué)性能的變化主要是由高溫焊接熱循環(huán)對(duì)焊接接頭材料形變強(qiáng)化的影響決定的，而去應(yīng)力退火（低溫退火）對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響并不大[6]。

表3 去應(yīng)力退火前后縱向焊縫抗拉強(qiáng)度

4 結(jié)束語(yǔ)

a．圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件經(jīng)過120℃去應(yīng)力退火和180℃去應(yīng)力退火后，其縱向焊縫及焊縫附近的表面橫向殘余應(yīng)力會(huì)降低，分別降低約30.4%和27.4%，但降低效果相差不大；同時(shí)，去應(yīng)力退火對(duì)焊縫及焊縫附近的表面橫向殘余應(yīng)力的分布有均勻化效果；

b．圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件經(jīng)過120℃去應(yīng)力退火和180℃去應(yīng)力退火后，其5A06鋁合金的抗拉強(qiáng)度會(huì)發(fā)生降低，分別降低約8.55%和10.19%；

c．圓筒形焊接結(jié)構(gòu)件經(jīng)過120℃去應(yīng)力退火和180℃去應(yīng)力退火后，其縱向焊縫的抗拉強(qiáng)度基本不發(fā)生變化。

1 周萬(wàn)盛，姚軍山. 鋁及鋁合金的焊接[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：96～122

2 桑曉宏. 鋁合金厚壁筒形結(jié)構(gòu)件焊接工藝研究[J]. 航天制造技術(shù)，2004 (5)：1～4

3 張國(guó)柱. 應(yīng)力消除技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 科技資訊，2011(5)：121

4 方洪淵. 焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：114～118

5 孫衛(wèi)國(guó)，徐賀年，姜文舉，等. 改善5A06-O鋁合金板材性能的研究[J]. 輕合金加工技術(shù)，2006，34(12)：26～28

6 崔忠圻，覃耀春. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：382～394

Influence and Analysis of Stress Relief Annealing for a Welded Structure on Residual Stress and Mechanical Properties

Wang Xiaobo Zhang Xudong Li Haocheng

(Beijing Aerospace Xinfeng Machinery Equipment Co., Ltd., Beijing 100854)

In this paper, for the cylindrical welded structure of 5A06 aluminium alloy, the stress relief annealing is used for heat treatment of the welded structure. The effects of stress relief annealing on surface transverse residual stress near the weld, the tensile strength of 5A06 aluminium alloy and the tensile strength of the weld are studied. The experimental results indicate that when the annealing temperature is 120℃ and 180℃, the stress relief annealing not only reduces the surface transverse residual stress near the weld, but also reduces the tensile strength of 5A06 aluminium alloy. But the stress relief annealing has little effect on the tensile strength of the weld.

5A06 aluminium alloy；welded structure；stress relief annealing；surface transverse residual stress；tensile strength

王小博（1988），碩士，材料加工工程專業(yè)；研究方向：鋁合金的熔焊與焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)。

2019-05-29