面向應力剝層測量的鋁合金電解工藝研究

楊巍

摘 要：X射線衍射法可以無損地測量表面殘余應力，但需要結合剝層法才能測量材料一定深度上的殘余應力。本文設計了一種電化學剝層的裝置，采用NaCl溶液作為電解液，可以對金屬平面小區域進行材料去除，電解深度可精確控制。以鋁合金材料為例，試驗優選出電解加工參數電流密度23.87A/cm2和電解液流量1200cm3/min。通過對數據擬合曲線進行優化處理，標定了實際深度蝕除速度約為7.42μm/s。最后對銑削鋁合金板進行表層殘余應力測量，測量結果符合一般銑削鋁合金殘余應力分布規律。

關鍵詞：殘余應力;鋁合金;X射線衍射法;剝層法;深度蝕除速度

1引言

X射線衍射法是近年來廣泛使用的殘余應力測量方法，其優勢在于無損、易操作、迅速、精度高[1，2]。但是由于X射線對金屬的穿透能力有限，往往只能測量金屬表面的殘余應力。即便X射線的透入深度較深，也會因為材料表層存在的應力梯度而對測量結果產生影響。故使用X射線衍射法測量隨深度變化的殘余應力往往需要結合剝層法[3]。為了測量金屬表層的殘余應力分布，本文設計了一種成本低、結構簡單、安全可控的電化學剝層裝置。并以航空工業中應用廣泛的7050-T7451鋁合金為例，通過試驗確定了較優的電解參數，標定了鋁合金深度蝕除速度，最后測量了鋁合金銑削表層的殘余應力。

2 電化學剝層裝置設計

電化學剝層法則主要是通過電解發生的氧化還原反應去除陽極金屬。電解加工中，電極與工件之間接直流電源。電極接電源負極，工件接電源正極。電極與工件保持一定的加工間隙。電解液以一定的速度流過間隙，使兩極之間形成導電通路。故本文中設計一種電化學剝層的裝置，用于測量試樣表層不同深度的殘余應力值。如圖1所示。

自制電解裝置實物圖和半剖視圖如圖2所示，電解裝置用于安裝電極，形成密閉空間，內部流通電解液以電解加工表面金屬。電解裝置分為端蓋、底座、固定電極和接頭。

3 鋁合金電解加工參數優選

因為氧化層和表面粗糙度均對殘余應力測量產生影響[7]。故本章以電解后表面的氧化層和粗糙度作為評價指標，優選電解加工參數。本文研究電流密度i和電解液流量ql對電解加工鋁合金表面質量的影響。

3.1 電流密度優選試驗

原理以電解拋光為主的電解設備，采用的電流密度較小，在0.2-1.0A/cm2范圍內，電解速率較慢，約為4-20μm/min。而電解加工電流密度很大，范圍為10-100A/cm2。不同電流密度下，鋁合金材料電解后表面如圖3所示。用Mahr便攜式粗糙度儀對電解后的區域進行表面粗糙度Ra測量，取樣長度為1.75mm。每個位置測量三次取平均數，結果如表1所示。

由圖3 觀察分析可知，在0.2-1.0A/cm2范圍內的電解拋光，加工后表面無光亮，去除量極少，且四周雜散腐蝕嚴重。由于去除量極少，其加工后的粗糙度與試樣原先表面粗糙度基本相同。綜上所述，優先考慮氧化層的大小深淺，其次結合表面粗糙度Ra值，故認為電流為3A、電流密度為23.87A/cm2是較優的電解加工參數。

3.2 電解液流量優選試驗

電解液流量對電解質量有著一定的影響，合適的電解液流量有助于更新電解液，迅速排除電極表面上的電極產物。不同電解液流量下，鋁合金材料電解后表面對電解后的試樣進行表面粗糙度Ra測量，每個位置測量三次取平均數。

隨著電解液流量的增加，加工表面氧化層逐漸變淺，但同時表面粗糙度增加。優先考慮氧化層的大小深淺，其次結合表面粗糙度Ra值，故認為電解液流量為1200cm 3/min是較優的電解加工參數。

4 銑削鋁合金殘余應力測量

側刃銑削鋁合金板得到試樣，見圖4，刀具為整體硬質合金立銑刀，銑削參數為n=15000r/min，f=7000mm/min，ae=0.5mm， ap=3mm。按深度蝕除速度vh實=7.42μm/s。采用基于cosα法的二維面探方法測量殘余應力，工作電壓和電流分別為30kV和1mA。測量鋁合金采用Gr靶，X射線入射角度為25°，半高寬定峰選擇波長為K-Alpha、面心立方結構、311晶面，輸入楊氏模量70.3GPa和泊松比0.33[11]。

5結語

為了研究金屬表層的殘余應力分布，設計了電化學剝層的裝置，以7050-T7451鋁合金為例，研究了電解鋁合金較優的電解加工參數，分別從理論和試驗得到深度蝕除速度，最后實際測量了銑削后鋁合金板的表層殘余應力，結論如下：本文設計的電解裝置結構簡單、加工制造方便、成本很低、安全可控，能夠對金屬平面的小區域進行電化學剝層，滿足X射線衍射法結合剝層對金屬沿深度方向上殘余應力測量要求;以實際銑削鋁合金板為例，測量了其表層殘余應力分布，符合一般銑削鋁合金表層殘余應力外拉內壓，最后趨于0的分布規律。

參考文獻：

[1]張定銓等. 材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用[M]. 西安交通大學出版社， 2000.

[2]劉金艷. X射線殘余應力的測量技術與應用研究[D]. 北京：北京工業大學， 2009.

[3]羅子華， 胡永會， 袁海洋. 無損測量鋁板表層殘余應力的方法[J]. 鑄造技術， 2014（8）.

[4]唐志濤. 航空鋁合金殘余應力及切削加工變形研究[D]. 山東：山東大學， 2008.

[5]Tang Z T ， Liu Z Q ， Wan Y ， et al. Study on Residual Stresses in Milling Aluminium Alloy 7050-T7451[J]. 2008.

[6]GB/T 7704-2017， 無損檢測 X射線應力測定方法[S].