腐蝕環(huán)境下豪克能沖擊焊接接頭殘余應(yīng)力變化規(guī)律

尹鳳偉

 

摘要：采用X 射線衍射法（iXRD）對(duì)6005A 鋁合金型焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，研究豪克能沖擊處理鋁合金焊接接頭的殘余應(yīng)力分布情況的影響以及豪克能超聲沖擊對(duì)鋁合金焊接接頭在海洋大氣腐蝕環(huán)境中殘余應(yīng)力的變化規(guī)律的影響。結(jié)果表明，豪克能沖擊處理使得殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，且應(yīng)力分布更加均勻；豪克能沖擊處理后，隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭個(gè)微區(qū)可長(zhǎng)期保持殘余壓應(yīng)力，并有逐漸減小的趨勢(shì)。

 

關(guān)鍵詞：豪克能沖擊；殘余應(yīng)力、腐蝕環(huán)境；豪克能焊接應(yīng)力消除設(shè)備

 

鋁合金焊接接頭存在較為嚴(yán)重的焊接殘余應(yīng)力和變形，作為影響高速列車鋁合金車體結(jié)構(gòu)的安全可靠性和服役壽命的關(guān)鍵因素，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。超聲沖擊能改善母材過(guò)渡區(qū)和焊縫的形狀，從而降低應(yīng)力集中系數(shù)，調(diào)整焊接接頭的殘余應(yīng)力場(chǎng)，并且在應(yīng)力集中處產(chǎn)生有利的正壓力，是一種有效的控制和消除焊接接頭殘余應(yīng)力的方法。但超聲沖擊處理后的焊接接頭在高速列車運(yùn)行過(guò)程中其殘余應(yīng)力有怎樣的變化，是目前尚未研究的領(lǐng)域，而這一研究對(duì)于高速列車車體結(jié)構(gòu)服役壽命研究具有重要意義[1-3]。本研究主要針對(duì)海洋性大氣環(huán)境這一典型大氣環(huán)境進(jìn)行殘余應(yīng)力研究，為高速車體焊接接頭的的安全可靠性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為高速列車用6005A 型材表皮板試板，尺寸300 mm×250 mm（含焊縫），其化學(xué)成分如表1所示。殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)分布如圖1 所示，焊縫寬度12mm，以焊縫為中心，平均每隔3 mm 布置一個(gè)點(diǎn)，共11 個(gè)點(diǎn)。其中點(diǎn)5、6、7 為焊縫上的測(cè)試點(diǎn)，4、8 點(diǎn)為焊趾測(cè)試點(diǎn)，3、9 點(diǎn)為熱影響區(qū)測(cè)試點(diǎn)，點(diǎn)1、2、10、11 為母材測(cè)試點(diǎn)。

 

覆蓋超聲沖擊，采用X 射線衍射法測(cè)試超聲沖擊前后試樣的殘余應(yīng)力和硬度，然后將超聲沖擊處理前后的試樣放入鹽霧箱進(jìn)行中性鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)，分別在腐蝕3 天、5 天、1 周、2 周、1 月、2 月、4 月、6 月后將試樣取出，再次采用X 射線衍射法測(cè)試超聲沖擊前后試樣經(jīng)不同時(shí)間鹽霧腐蝕后的殘余應(yīng)力及硬度。每個(gè)試驗(yàn)條件下采用9 件平行試樣。

 

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 超聲沖擊前后焊接接頭殘余應(yīng)力

試驗(yàn)采用Hy2050 豪克能焊接應(yīng)力消除設(shè)備對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行全覆蓋沖擊，激勵(lì)電流1.6 A，設(shè)定沖擊速度為8.33 mm/min。

由圖2 和圖3 可知，在超聲沖擊處理前，焊接接頭的縱向殘余應(yīng)力的平均值為26.95 MPa，最大殘余拉應(yīng)力位于母材應(yīng)力值為127.52 MPa，橫向殘余應(yīng)力的均值為30.44 MPa，最大殘余拉應(yīng)力位于焊縫應(yīng)力值為194.49 MPa，且應(yīng)力分布極不均勻，橫向應(yīng)力的起伏更大。在超聲沖擊處理后，焊接接頭縱向殘余應(yīng)力的平均值為-91.01 MPa，橫向殘余應(yīng)力的平均值為-96.01 MPa，所有測(cè)試點(diǎn)都轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，且各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力值起伏較沖擊前明顯降緩。

 

2.2 超聲沖擊前后不同微區(qū)殘余應(yīng)力隨腐蝕時(shí)間的變化

采用SO2/Q -0250 和GP/YWP90 型鹽霧腐蝕箱，中性腐蝕試介質(zhì)為5%NaCl 溶液，pH6.5～pH7.2。

分別選取焊接接頭的母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的一個(gè)典型的測(cè)試點(diǎn)，對(duì)其在超聲沖擊前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行比較，如圖4~圖6 所示。

 

由圖4~圖6 可知，在腐蝕時(shí)間較短時(shí)，超聲沖擊前后焊接接頭各微區(qū)的殘余應(yīng)力有上下波動(dòng)情況，但隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，總變化趨勢(shì)是向0 MPa 方向接近。

 

3 分析和討論
 

3.1 超聲沖擊對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

圖2、圖3 表明，超聲沖擊對(duì)一定深度的表層具有改善應(yīng)力的效果，可以較好地消除焊接接頭各微區(qū)的殘余應(yīng)力，使其由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，還能使焊接接頭各區(qū)域的殘余應(yīng)力值的波動(dòng)也趨于平緩，從而有效改變焊接殘余應(yīng)力。
 

3.2 腐蝕環(huán)境下超聲沖擊對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力變化規(guī)律的影響

圖4 ~ 圖6 表明經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，焊接接頭各微區(qū)的殘余應(yīng)力不論腐蝕時(shí)間的長(zhǎng)短，均在壓應(yīng)力范圍內(nèi)，且隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余應(yīng)力的變化也比未經(jīng)超聲沖擊的焊接接頭各微區(qū)殘余應(yīng)力變化更為平緩，逐漸向壓應(yīng)力減小的方向變化。

4 結(jié)論

（1）超聲沖擊處理對(duì)改善6005A 焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力有良好的效果，焊縫、熱影響區(qū)和焊趾的殘余拉應(yīng)力均轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且超聲沖擊處理后整個(gè)焊接接頭的應(yīng)力值分布較沖擊前均勻。

（2）未經(jīng)超聲沖擊的焊接接頭各微區(qū)初始?xì)堄嗬瓚?yīng)力較大，隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，拉應(yīng)力有逐漸減小的趨勢(shì)；超聲沖擊處理后，焊接接頭各微區(qū)可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持為壓應(yīng)力，并有逐漸減小的趨勢(shì)。