不同處理工藝對6005A鋁合金激光-MIG復合焊接頭殘余應力的影響

盧衍祥，單清群，王傳剛，馬傳平

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都611031）

不同處理工藝對6005A鋁合金激光-MIG復合焊接頭殘余應力的影響

盧衍祥1，單清群1，王傳剛1，馬傳平2

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都611031）

采用三種去應力退火工藝和三種振動時效+去應力退火工藝對6005A激光-MIG復合焊接頭進行處理，并采用X射線衍射法對處理后的焊接接頭進行了殘余應力測量，比較不同處理工藝條件下焊接接頭的應力消除率。結果表明，振動時效和去應力退火均可有效降低焊接接頭殘余應力。復合處理工藝比單一處理工藝對焊接接頭殘余應力的消除效果更為顯著。單一處理工藝中退火溫度為220℃，保溫4 h的應力消除效果最好；復合處理工藝中，振動時效20 min+220℃去應力退火（保溫4 h）的應力消除效果最佳。

6005A鋁合金；去應力退火；振動時效；殘余應力

0 前言

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，為滿足高速列車輕量化的要求，鋁合金大量應用于高速列車的車體制造。其中Al-Mg-Si系鋁合金是可熱處理強化鋁合金中唯一沒有發(fā)現應力腐蝕開裂（SCC）現象的合金，由于其具有中等強度、優(yōu)異的成形性和較低的密度，在交通運輸領域得到廣泛應用[1-2]。6005A鋁合金是在Al-Mg-Si系基礎上發(fā)展起來的Al-Mg-Si-Cu系焊鋁合金，具有優(yōu)良的擠壓性、焊接性和耐蝕性，因此被廣泛應用于高速列車、城際列車和地鐵等軌道交通車輛車體的制造[1-4]。

焊接是鋁合金車體生產制造過程中關鍵的手段之一。由于焊接過程中加熱不均勻，焊后不可避免的要產生焊接殘余應力。殘余應力的存在對焊接結構的疲勞性能和薄板結構的失穩(wěn)變形具有較大影響。因此降低和控制焊接接頭的殘余應力，對保證焊接結構質量和使用壽命具有重要意義。在焊后階段，改善或消除焊接結構的殘余應力可以采用自然時效法、去應力退火、錘擊法、機械拉伸法、振動時效法和超聲沖擊法等[5-7]。

本研究針對高速列車用6005A激光-MIG電弧復合焊接頭進行去應力退火、振動時效+退火等不同工藝處理，處理后采用X射線衍射法測量焊接接頭應力，對比不同工藝處理對鋁合金焊接接頭殘余應力的影響，為高速列車焊接結構件殘余應力處理方法的選擇提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用高速列車用6005A-T6鋁合金（其中T6表示熱處理狀態(tài)為固溶處理），其化學成分如表1所示。母材力學性能為：抗拉強度大于等于290 MPa，屈服強度大于等于270 MPa，延伸率為8%～ 10%。鋁型材尺寸為300 mm×150 mm×10 mm，開60°的V型坡口，2 mm鈍邊，1 mm間隙，試板由兩塊鋁型材對焊而成，利用相同焊接工藝焊接6塊試板，分別編號為1#～6#。焊接設備采用加拿大IPG公司生產的YLS-4000型光纖激光器，MIG焊機型號為Kemp Arc-450，焊接機器人型號為IRB2600。焊絲采用ER5356鋁鎂焊絲，保護氣采用99.999%工業(yè)純氬，氣體流量為25 L/min。焊絲成分見表1，激光-MIG電弧復合焊工藝參數見表2。

1.2 退火工藝

去應力退火采用普瑞賽斯生產的KXX-25-10A型箱式電阻爐，退火處理工藝為：退火溫度分別為200℃、220℃和240℃，保溫時間均為4 h，然后隨爐冷卻至室溫。

表1 6005A鋁合金及焊絲成分 %

表2 激光-MIG電弧復合焊工藝參數

1.3 振動時效

振動時效激振器采用ZYGZP110-1型永磁直流激振器，控制器和傳感器為HK2000系列全自動振動時效裝置，振動試驗臺為自主設計。試驗采用撒沙法來確定激振器和傳感器的固定位置。激振器與振動平臺在工作時，波峰處的振動值最大，相反最小的地方為波節(jié)，把激振器放在振動臺的波峰處能夠使工件在較小的激振力下得到較大的振幅，振動時效時間為20min[8]。

1.4 殘余應力測量

采用X射線衍射法測量殘余應力，所用設備為加拿大Proto公司生產的iXRD殘余應力測量儀。測試參數為：側傾固定ψ0法，Cr靶，Kα射線，衍射晶面（222），布拉格角為156.90°，2θ掃描范圍120°～170°，φ2 mm準直管，管電壓20 kV，管電流4 mA，多曝光模式，曝光時間1.5 s，曝光次數15次。測試前測點先用Proto 8818-V3型電解拋光機進行電解拋光處理，拋光介質為飽和食鹽水。選取1#和2#焊接試板中部沿焊縫中心線對稱布置測點，分別為距離焊縫中心0 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±25 mm、±45 mm、±95 mm、±135 mm，共15個測點。

1.5 處理工藝

1#～6#試板的處理工藝見表3。試板焊接完成后先進行殘余應力測試，經過處理后再進行應力測試，測點與前述焊態(tài)測點一致。

2 試驗結果及分析

殘余應力測量結果中正值為拉應力，負值為壓應力；平行于焊縫長度方向的應力為縱向殘余應力σx，垂直于焊縫長度方向的應力為橫向應力σy。

圖1為1#～3#試板去應力退火前后的殘余應力曲線。由圖1可知，1#～3#試板焊態(tài)縱向和橫向殘余應力分布規(guī)律相同，即焊縫及近縫區(qū)存在較大值的殘余拉應力，遠離焊縫，殘余應力減小直至變成壓應力，且殘余應力分布曲線波動大，殘余應力值分布不均勻。經過去應力退火處理后，焊縫及近縫區(qū)縱向和橫向殘余拉應力值明顯降低，1#～3#試板的縱向應力σx峰值分別由124MPa、121MPa、130MPa降至71 MPa、63 MPa、66 MPa，橫向應力σy峰值分別由98 MPa、95 MPa、105 MPa降至53 MPa、51 MPa、55 MPa。另外母材區(qū)域的壓應力絕對值也明顯減小，殘余應力曲線波動幅度減小，殘余應力值分布變得較為均勻。

表3 1#～6#試板處理工藝

圖1 1#～3#試板退火前后殘余應力曲線

圖2為1#～3#試板去應力退火前后應力平均消除率δ的比較。由圖2可知，三種去應力退火溫度條件下，退火溫度為220℃的2#試板的應力平均消除率最高，縱向和橫向應力消除率分別為50.8%和48.1%，效果最好。鋁合金去應力退火能有效消除殘余應力的主要原因是鋁合金材料在去應力退火過程中會發(fā)生回復，位錯密度下降，位錯運動阻力降低，材料屈服強度下降，在殘余應力作用下發(fā)生局部塑性變形，殘余應力得以釋放[9]。

圖2 1#～3#試板退火前后殘余應力平均消除率比較

圖3為4#～6#試板焊態(tài)、振動時效+退火狀態(tài)下的殘余應力曲線。由圖3可知，4#～6#試板焊態(tài)縱向和橫向殘余應力與1#～3#焊態(tài)試板應力分布規(guī)律相同，殘余應力峰值接近。經過20 min振動時效和去應力退火綜合處理后，焊縫及近縫區(qū)殘余應力大幅降低，4#～6#試板的縱向應力σx峰值分別由118 MPa、128 MPa、125 MPa降至40 MPa、34 MPa、37 MPa，橫向應力σy峰值分別由102 MPa、96 MPa、99 MPa降至33 MPa、26 MPa、34 MPa，殘余應力分布曲線變得平緩，殘余應力整體分布變得均勻。

圖4為4#～6#試板不同處理工藝條件下的殘余應力平均消除率δ的比較。由圖4可知，三種處理工藝條件下，20 min振動時效+220℃去應力退火復合處理工藝的平均應力消除率最高，效果最好，縱向和橫向應力平均消除率分別為68.4%和71.0%，均高于其他兩種復合處理工藝。振動時效是由于動應力與殘余應力疊加的總應力給晶體內部位錯運動提供能量，使位錯產生運動、增殖、塞積和纏結，當出現某個微區(qū)的屈服強度小于疊加總應力時，塞積得以開通，材料產生微觀塑性變形，殘余應力得以釋放[8，10]。經過振動時效處理，殘余應力并不能完全釋放，振動時效只是使得位錯開動，而位錯密度并未降低。再對試板進行去應力退火處理，在該退火溫度下材料位錯密度降低，使得試板的殘余應力進一步降低，應力消除效果更好。比較圖2和圖4可知，復合處理工藝條件下試板殘余應力的消除效果要優(yōu)于單一處理工藝條件下的試板殘余應力消除效果。對于復合處理工藝振動時效+退火處理而言，第一道振動時效可以先消除一定量的殘余應力，降低試板的整體殘余應力水平，然后再經過第二道退火工藝能夠降低材料位錯密度，進一步降低試板殘余應力，因此應力釋放效果比單一工藝好。

圖3 4#～6#試板焊態(tài)、振動時效+退火態(tài)殘余應力曲線

圖4 4#～6#試板復合處理工藝條件下殘余應力平均消除率比較

3 結論

（1）去應力退火和振動時效+去應力退火復合處理工藝均可以有效降低6005A鋁合金激光MIG焊接頭的殘余應力峰值，使接頭內部殘余應力分布均勻化。

（2）振動時效+去應力退火復合處理工藝比單一處理工藝更能有效地消除6005A鋁合金激光MIG焊接頭的殘余應力。

（3）三種單一去應力退火工藝中殘余應力消除效果最好的工藝為：退火溫度220℃，保溫4 h。三種復合處理工藝中殘余應力消除效果最好的工藝為：20 min振動時效+220℃去應力退火（保溫4 h）。

（3）振動時效消除殘余應力的機理是由于動應力和殘余應力疊加給位錯運動提供動力，當出現某個微區(qū)的屈服強度小于疊加總應力時，塞積得以開通，材料產生微觀塑性變形，使殘余應力得以釋放；而去應力退火消除殘余應力的機理是鋁合金材料退火時發(fā)生回復，位錯密度下降，位錯運動阻力降低，材料屈服強度下降，在殘余應力作用下發(fā)生局部塑性變形，使得殘余應力釋放。

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Influence of different treatment processes on the residual stress of welded joints in laser-MIG hybrid welding for 6005A aluminum alloy

LU Yanxiang1，SHAN Qingqun1，WANG Chuangang1，MA Chuanping2
（1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Three different stress relief annealing treatment processes and three different VSR+stress relief annealing treatment processes are used to process welded joints in 6005A laser-MIG hybrid welding of aluminum alloy.An X-ray diffraction method is carried out to measure welding residual stress of treated welded joints and the stress relief rates of different treatment processes are compared. The results show that the VSR and stress relief annealing can effectively reduce the residual stress of welded joints.The stress relief effect of hybrid process for welded joints is more outstanding than that of single process.The best stress relief effect of three different single treatment processes is annealing temperature of 220℃，heat preservation for 4 h.And the best stress relief effect of three different hybrid treatment processes is 20 min VSR+220℃stress relief annealing process（heat preservation for 4 h）.

6005A aluminum alloy；stress relief annealing；VSR；residual stress

TG404

：A

：1001-2303（2015）10-0134-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.30

2015-04-23；

：2015-05-20

盧衍祥（1971—），男，山東日照人，高級工程師，主要從事高速列車車體質量管理工作。