噴砂處理對鋁合金車體焊接殘余應力分布規律的影響

馬紀軍，茍國慶，陳 輝，吉 華，馬傳平

(1.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031)

噴砂處理對鋁合金車體焊接殘余應力分布規律的影響

馬紀軍1，茍國慶2，陳 輝2，吉 華2，馬傳平2

(1.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031)

選取某型號的鋁合金焊接車體，采用噴砂工藝對鋁合金車體進行了表面處理。采用X射線衍射法殘余應力測試技術，對鋁合金車體的重點部位——車頂及側墻區域噴砂前后的焊接殘余應力進行了測試研究。結果表明，噴砂前測試的焊縫區域縱向殘余應力呈現拉應力狀態，而橫向殘余應力沒有規律性分布，并且在兩個應力方向應力梯度比較大。經過噴砂處理后，焊縫區域的縱向和橫向應力狀態均呈現為壓應力狀態，而且應力跨度減小，分布更加均勻，殘余壓應力的存在可以有效抑制表面裂紋的萌生，提高裂紋擴展門檻值Δ Kth，從而提高了列車的疲勞強度和使用壽命。

X射線衍射法；鋁合金；殘余應力；噴砂

0 前言

鋁合金具有比強度高、熱穩定性好、耐腐蝕、機械加工性能優良以及可再生性好、資源豐富等一系列優點[1]，近年來在機車車體制造中得到了廣泛應用。但是鋁合金在焊接過程中不可避免的會產生焊接殘余應力，而且殘余應力在熱影響區比較大。焊接殘余應力的存在對車體疲勞壽命有著重要的影響[2]，它會改變疲勞裂紋擴展速率和應力集中系數[3]。一般而言，表面殘余拉應力會加快裂紋萌生和擴展速度，從而降低構件的疲勞壽命；而殘余壓應力在一定程度上會提高構件的服役壽命。因此，采用適當的工藝方法使材料表面產生殘余壓應力對于提高列車使用年限具有非常重要的意義。

使材料表面產生殘余壓應力層的方法工藝有很多，如：表面機械研磨、激光沖擊、噴丸、噴砂等。其中噴砂作為一種重要的表面處理方式，在列車制造過程中普遍應用，其原理是[4]用壓縮空氣將不同磨粒射向鋁型材表面，具有沖凈作用和噴丸處理的表面強化作用，砂面形成機理如圖1所示。鋁材表面尖銳處在沙粒的沖擊下變得平整，而原本光滑的表面則在金剛砂作用下變得比原來粗糙，最終在型材表面形成具有一定粗糙度的均勻細致面，經噴砂面處理可以消除型材表面的擠壓條紋和擦傷。

圖1 噴砂砂面形成原理

噴砂處理鋁合金表面會對其表面形貌及殘余應力分布產生重要的影響。張海永[5]等人對5083鋁合金板材噴砂前后的表面粗糙度、表面與截面微觀形貌、表面殘余應力及分布進行了研究，發現噴砂處理后，鋁合金表面粗糙度明顯增加；試樣表面殘余應力沿表面分布比較均勻(-380～340 MPa)，跨度40 MPa，殘余壓應力平均值較大(-361.2 MPa)，有利于抑制裂紋的產生。林紅吉[6]等人通過干法噴砂工藝對5系鋁合金進行表面處理，觀察其表面殘余應力的變化，發現噴砂處理后能在鋁合金表面產生壓應力，消除了表面的殘余拉應力，殘余應力分布相對于處理前更均勻，有效阻止了裂紋的萌生和擴展，對提高材料自身的耐蝕性能具有重要價值。胡永會[7]等人對7075鋁合金噴砂產生的殘余應力在疲勞循環過程的變化進行了研究，發現噴砂處理后的鋁合金表面會產生殘余壓應力，而且在疲勞循環過程中壓應力有所松弛。

本研究選取某型號的鋁合金焊接車體，采用X射線衍射法對鋁合金焊縫噴砂前后的殘余應力進行測試，對比其前后的變化，探究分布規律，為鋁合金的表面處理工藝優化提供數據支持。

1 X射線衍射法無損檢測殘余應力基本原理

單色X射線入射到晶體上，當衍射角2θ、晶面間距d、波長λ的X射線滿足布拉格方程[8]時

則發生衍射，由于材料由大量隨機取向的晶粒組成，總會在一些位向有利的晶粒內產生衍射。因而當材料中有應力σ存在時，晶粒內特定晶面族的晶面間距d必然隨著晶面與應力相對取向的不同而有所變化，衍射角2θ也會相應改變。

圖2 X射線對晶體的衍射

由圖2可知，當產生衍射現象時，入射X射線和衍射X射線的夾角(衍射角)為2θ。根據布拉格方程，進而計算出晶面間距d，從而求出某一方向的應力[8]

式中 E為材料的彈性模量；μ為泊松比；ψ為所測應變方向與試樣表面法線的夾角為無應力時的衍射半角。

2 殘余應力測試對象、設備和參數

2.1 測試對象

X射線衍射法殘余應力測試選取某鋁合金車體的車頂、側墻對接接頭。先采用X射線衍射法進行原始應力狀態測試，而后測試噴砂態殘余應力，噴砂工藝參數如表1所示。

表1 噴砂工藝

某系列牌號鋁合金型材因質量輕、耐蝕性好、強度高等特點，已成為當今世界各國制造高速列車車體結構的首選材料。另外，該鋁合金拉伸性能好，其大型薄壁中空型材減重效果好，剛度、挺度好，便于制造大型變截面中空型材。

2.2 測試設備和參數

X射線衍射法測量殘余應力采用iXRD應力測試儀，所涉及參數如表2所示。測試標準嚴格按照GB 7704-87 X射線應力測定方法。

表2 X射線衍射法殘余應力測試參數

3 實驗結果和分析

3.1 車頂噴砂前后殘余應力結果分析

車頂選取的兩個測試點(分別記為D1、D2)，噴砂前后的縱向和橫向殘余應力測試結果見圖3。

由圖3可知，在噴砂之前，車頂焊縫縱向殘余應力σx均為拉應力，并且在焊趾附近達到最大值，這與焊趾處應力集中有關，隨著離焊縫中心的距離的增大，殘余應力呈下降趨勢；而σy的分布趨勢不是很有規律。在噴砂以后，焊縫區域的縱向和橫向殘余應力均呈現為壓應力，這與文獻報道[5-7]很吻合。由圖3a還可知，噴砂前σx和σy的跨度分別為160 MPa和200 MPa，而經過噴砂后σx和σy的跨度分別變為80 MPa和60 MPa，說明在經過噴砂處理以后，殘余應力的分布更加均勻(見圖3b)。

圖3 車頂測試點噴砂前后殘余應力分布

3.2 側墻噴砂前后殘余應力測試結果

側墻選取三個測試點(分別記為C1、C2、C3)，噴砂前后縱向和橫向殘余應力測試結果如圖4所示。

由圖4可知，在噴砂以前，側墻焊縫縱向殘余應力σx均為拉應力，三個點的縱向應力最大值分別為50 MPa、200 MPa、60 MPa，隨著距焊縫中心的距離的增大，殘余應力呈下降趨勢；而σy的分布趨勢不是很有規律，這與車頂橫向殘余應力的分布趨勢大體相同。在噴砂以后，焊縫區域的縱向和橫向殘余應力均呈現為壓應力，從圖4a可以看出，噴砂前σx和σy的跨度分別為200 MPa和70 MPa，而經過噴砂后σx和σy的跨度分別變為110 MPa和120 MPa，說明在經過噴砂處理以后，縱向殘余應力的分布更加均勻，而橫向殘余應力的分布則變得跨度更大，這與噴砂前的應力狀態以及噴砂過程中鋁合金表面發生的塑性變形程度有關。

4 結論

(1)鋁合金車體焊接殘余應力在經過表面噴砂處理后，縱向應力狀態由拉應力變為壓應力狀態，而橫向應力也全部變為壓應力狀態，可以有效地抑制裂紋的萌生，提高裂紋擴展門檻值Δ Kth，提高了列車的疲勞強度和使用年限。

(2)經過噴砂處理后的大部分鋁合金表面的應力跨度明顯變小，應力梯度降低，分布更加均勻，可以有效地抑制裂紋擴展。

圖4 側墻測試點噴砂前后殘余應力分布

(3)從殘余應力測試結果來看，局部的鋁合金表面殘余應力跨度反而增大，這說明在噴砂過程中對鋁合金表面的沖擊的均勻度欠缺，需要通過改進噴砂工藝和提高工人噴砂技術等措施來改善。

[1]王元良，周友龍，胡久富.鋁合金運載工具輕量化及其焊接[J].電焊機，2005，35(9)：14-18.

[2]Champoux R L，Underwood J H，Kapp J A.Analytical and experimental methods for residual stress effects in fatigue[M].ASTM STP 1004，1988.

[3]Webster G A，Ezeilo A N.Residual stress distributions and their influence on fatigue life times[J].International Journal of Fatigue，2001(23)：S375-S383.

[4]肖 剛，胡 秋，周 立.鋁型材表面噴砂預處理及其對陽極氧化膜性的影響[J].輕合金加工技術，2001，l29(8)：38-40.

[5]張海永，林紅吉，孟憲林.噴砂處理對鋁合金性能的影響[J].材料的開發與應用，2010(9)：39-42.

[6]林紅吉，孟憲林，張海永.噴砂處理鋁合金表面形貌及殘余應力分析[J].現代涂料與涂裝，2010，13(4)：41-44.

[7]胡永會，吳運新，郭俊康.7075鋁合金噴砂表面殘余應力在疲勞過程中的松弛規律[J].熱加工工藝，2010，39(18)：25-27.

[8]QJ 2916-97.鋁及鋁合金表面殘余應力的X射線測試方法[S].

Influence of the sandblasting on the welding residual stress of the aluminum alloy train-body

MA Ji-jun1，GOU Guo-qing2，CHEN Hui2，JI Hua2，MA Chuan-ping2
(1.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.College of Materials Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In this paper，the aluminium alloy body of aluminum alloy train-body has been treated using sand blasting.The welding residual stress of the roof and side wall areas of the body was measured，both initial stress and that after blasting，using X-ray Diffraction technology(XRD).The result showed that the longitudinal residual stress of the both tested areas was tensile，but the transverse position was not regular，and the stress gradient of both position was distinctly large.However，after blasting，the residual stress of the both position presented compressive，and the span of the residual stress decreased，and the distribution was more even.The residual stress can inhibited the initiation of the cracks，heightened the expanded threshold value Δ Kth，which can improve the fatigue properties of the train-body.

XRD；aluminum alloy；residual stress；sand blasting

TG404

A

1001-2303(2011)11-0026-04

2011-09-05

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG12A04-B02)

馬紀軍(1969—)，男，河北懷安人，高級工程師，學士，主要從事車輛工程結構設計及技術研究工作，主持“十一五”科技支撐高速列車車體課題和鐵道部科技司高速列車車體技術規范課題。