拋丸對A7N01 鋁合金表面殘余應力的影響

劉博，王媛媛

（中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037000）

引言

高速鐵路的蓬勃發展促進了新材料的出現。鋁及其合金具有密度低、易加工、耐候性好、裝飾性好等特點，已廣泛應用于軌道交通制造領域。A7N01 鋁合金為Al-Zn-Mg 熱處理強化型高強鋁合金，通過加入適量Mn、Cr、Zr 等微量元素有效提高合金的再結晶溫度和可焊性，是綜合性能較為優異的鋁合金，其強度高、擠壓性較好、耐蝕性好，適于制造車體、底架、框架等型材[1]。在鋁合金車身的制造過程中，焊接是主要的工藝方法，焊縫質量對產品質量起著至關重要的作用。殘余應力是影響焊縫質量的重要影響因素，尤其是殘余應力在焊趾和焊接熱影響區中較大，改變了應力集中系數和疲勞裂紋擴展速率，將對車體的疲勞和使用壽命產生嚴重的影響[2]。本文將以拋丸時間和頻率為變量，通過X 射線衍射法測量不同參數組合下鋁合金試件表面殘余應力的變化情況，提出拋丸工藝的合理參數。

1 拋丸及X 射線法的概況

1.1 拋丸強化

拋丸是利用高速彈丸流連續沖擊工件表面，迫使目標表面和表面在循環變形過程中改變微觀結構和表面粗糙度，并引入殘余應力。彈丸投射到材料表面時，使金屬晶格的一部分由面心轉移到體心，發生體積膨脹而受到約束，引入殘余應力。

1.2 X 射線衍射法測量原理

原子間的距離在外力作用發生變化，與所受應力成正比。X 射線被晶格衍射，產生干涉，可以計算晶體晶格的平面間距。由于干涉線滿足布拉格定律（n=1），掠射角取決于晶格原子dA的平面間距和X 射線輻射的波長，即。從干涉環的半徑r 和樣品與旋轉薄膜之間的距離af可以非常精確地確定布拉格角。根據干涉環半徑在三個方位角φ（如φ、φ=π/4、φ+2/π）的變化和射線彈性常數，可以確定表面雙軸應力狀態。

2 殘余應力實測方案

為探究拋丸對A7N01 鋁合金焊縫表面殘余應力影響，采用X 射線衍射法對不同時間-頻率組合形式下焊縫橫向殘余應力進行測量，分析時間和頻率兩種參數的影響效果。

2.1 實驗材料及儀器

2.2 測試方案

（1）實驗材料

選用兩塊300mm×150mm×8mm 的A7N01 板作為焊件母材，其屈服強度295MPa，抗拉強度365MPa。彈丸采用的是鋼丸，其直徑為1～2mm。鋼丸的優點是：硬度適中、韌性強，有很好的抗沖擊能力。

（2）實驗儀器

應力測量使用加拿大Proto 公司生產的ixrd 便攜式X 射線衍射儀。測角儀的核心部件裝有X 射線管和探測器，可以圍繞樣品測量點旋轉。拋丸采用的是履帶式拋丸機，型號為QPL30。

（1）拋丸處理

試驗用板采用，ER5356 焊絲作為焊材，純Ar 保護，雙面MIG 焊，坡口形式為X 型坡口。為了比較不同時間-頻率組合下拋丸對A7N01 鋁合金表面殘余應力的影響。試板1-1，在拋丸頻率45Hz 下，分別進行時長為30s、1min、2min 的拋丸處理。試板1-3，在拋丸頻率15Hz 下，分別進行時長為1min、2min、4min 的拋丸處理。

（2）數據測量

為獲取試板表面殘余應力分布數據，在試板上選取焊縫的任一橫斷面，按距焊趾1、2、3、4、6、8、12、16、20、15、30、40、50、60、70、80（mm），在不同間距處測量試板的表面殘余應力。

3 實驗結果分析

3.1 拋丸處理后試板表面殘余應力分布

在時間相同，拋丸強度不同的條件下，A7N01 鋁合金試板表面的殘余應力分布如圖1、2。從圖中可以看出，拋丸強度為45Hz 時，試板表面產生的殘余壓應力明顯比強度為15Hz 時的大。拋丸時間為1min 時，45Hz 和15Hz 強度下產生的最大殘余壓應力分別為319.12MPa 和283.69MPa。拋丸時間為2min 時，45Hz 和15Hz 強度下產生的最大殘余壓應力分別為346.46MPa 和297.9MPa。兩種拋丸條件產生的殘余壓應力都在距焊趾13mm 處左右有較大的值。

圖1 45Hz、15Hz-1min 應力分布圖

圖2 45Hz、15Hz-2min 應力分布圖

在強度相同，拋丸時間不同的條件下，A7N01 鋁合金試板表面的殘余應力分布如圖3、4。從圖中可以看出，在相同的拋丸強度的條件下，拋丸時間越長，拋丸產生的表面殘余壓應力值越大。由于15Hz 的強度較小，所以不同的時間條件下，試板殘余壓應力值的變化較小，在圖中表現為曲線之間距離小，甚至出現交叉部分。15Hz 強度下的殘余壓應力分布折線比45Hz 強度下的波動更小，也就是說15Hz 強度拋丸后的表面殘余應力分布更加均勻。

圖3 45Hz-30s、1min、2min 應力分布圖

圖4 15Hz-1min、2min、4min 應力分布圖

4 拋丸工藝應用建議

殘余壓應力在一定程度上可以提高焊縫的抗疲勞性和抗應力腐蝕能力，但殘余應力在焊接過程中也是產生變形的主要原因，在焊接過程完成后將影響構件的靜載強度、疲勞強度、及抗應力腐蝕能力。45Hz-2min 組合下丸處理拋后，試件表面形態被鋼丸損傷較為嚴重，引入殘余壓應力的同時增大表面粗糙度，導致母材耐腐蝕性降低，影響產品性能。因此我們在選用拋丸強化處理試件表面時，應注意分析利弊，避免盲目求大。

5 結論

（1）拋丸時間相同時，強度越大，表面殘余壓應力值越大；拋丸強度相同時，時間越長，表面殘余壓應力值越大。采用較小的拋丸強度，A7N01 鋁合金試板表面殘余壓應力的值波動較小，分布更均勻。

（2）由拋丸前后試板的表面宏觀圖片可以看出，拋丸對試板表面粗糙度的影響較大。拋丸強度越大、時間越長，A7N01 鋁合金試板表面粗糙度越大，越不均勻。

（3）綜合比較鋁合金板材拋丸前后表面宏觀圖片和應力測試結果可以得出：在本次試驗中，15Hz-2min 為拋丸的最佳工藝。