超聲沖擊處理對5083鋁合金焊接接頭殘余應力的影響

于華寬,高 飛,丁立南,胡 浩,鄒家生

(江蘇科技大學 先進焊接技術省級重點試驗室,鎮江212100)

5083鋁合金屬于鋁鎂系合金,具有中等強度、耐腐蝕、易加工等優點,十分符合造船材料高強度、輕量化的要求[1],是游艇和各種工作型快艇主要結構的首選材料[2-4]．鋁合金船體的主要連接方式為焊接,但鋁合金材料線膨脹系數大、導熱性強,在拘束狀態下焊接時,焊接接頭容易產生很大的殘余應力．目前國內外對5083鋁合金的研究主要圍繞調整焊接工藝來提高鋁合金接頭性能,也有研究人員采用數值模擬研究5083鋁合金焊接殘余應力分布[5],或采用噴丸處理減少5083鋁合金材料焊接殘余應力[6],但由于噴丸強化設備的限制,不適于船體等大型結構殘余應力的調控．

超聲沖擊處理(ultrasonic impact treatment，UIT)是目前國內外應用較廣的表面局部強化和消除殘余應力的工藝方法[7-10]．但是采用不同的超聲沖擊工藝參數所產生的應力狀態不同,從而影響接頭性能的改善程度[11]．如果沖擊工藝選擇錯誤反而會削弱焊接接頭的性能[12]．因此,研究超聲沖擊處理工藝對5083鋁合金焊接接頭殘余應力的影響及其變化規律,具有實際應用價值．文中主要研究不同的超聲沖擊區域和沖擊強度對5083鋁合金焊接接頭殘余應力的影響．

1 試驗

1.1 試驗材料和焊接方法

試驗所用母材為5083 H116鋁合金,規格為400 mm×200 mm×8 mm．母材和焊材的化學成分如表1．焊接方法為在約束條件下采用MIG雙面對接焊接,焊接電流為125～135 A,焊接電壓為19～22 V,保護氣體流量為25～28 L/min,焊接速度為25～45 cm/min．

表1 試驗材料化學成分Table 1 Chemical compositions of 5083 Al alloy w(x)/%

1.2 殘余應力測試

采用XRD應力測試儀(加拿大Proto-epco)測試殘余應力．在殘余應力測試前,采用XRD設備自帶的電解拋光設備對測試表面進行拋光處理,iXRD測試5083鋁合金參數如表2．殘余應力測試點如圖1,測試點分布在距焊縫中心線6 mm的焊趾處(A-A縱截面)和20 mm的B-B縱截面．同時測試了距焊縫中心橫截面(Ⅰ-Ⅰ截面)45 mm處C-C橫截面和距焊縫中心橫截面135 mm處D-D橫截面的殘余應力分布．

表2 X射線衍射儀測試參數Table 2 Test parameters of X-ray diffractometer

圖1 表面測試點分布圖(單位：mm)Fig.1 Schematic of measuring positions on test plate(unit:mm)

1.3 超聲沖擊工藝

試驗使用的超聲沖擊設備型號為JSKD-D,超聲頻率為20 kHz,超聲沖擊槍重量為4 kg,沖擊針針頭分為平頭(φ3 mm的平面)和圓頭直徑(φ2 mm的半球面),如圖2．超聲沖擊工藝為:① 使用4針平頭沖擊針對焊接接頭進行全覆蓋沖擊,沖擊強度分別為0.5、1.5、2.0和3.0 s/cm2;② 使用2針圓頭沖擊針對焊趾進行沖擊,沖擊強度分別為1、2和3 s/cm2．圖3為超聲沖擊位置示意．

圖2 超聲沖擊針頭示意Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic impact needle

圖3 超聲沖擊位置(單位：mm)Fig.3 Location of ultrasonic impact treatment(unit:mm)

2 試驗結果與討論

2.1 拘束焊接殘余應力分布

圖4為超聲沖擊前焊接殘余應力分布,σx為沿焊縫方向的殘余應力,即縱向殘余應力;σy為垂直焊縫方向的殘余應力,即橫向殘余應力．

從圖4(a)可知,焊趾處A-A截面的縱向殘余應力在接頭起點和終點附近趨于零應力狀態．隨著遠離焊縫起點和終點,拉應力也逐漸增大,最后在-140～140 mm區域穩定,縱向殘余拉應力平均值約為110 MPa,為母材屈服強度的48%．橫向殘余應力在焊縫兩端為較大的壓應力,最大值達到100 MPa．隨后殘余壓應力逐漸減小,應力值在0～60 MPa波動,遠小于縱向殘余拉應力．圖4(b)為B-B截面上的殘余應力分布,其分布規律和焊趾相似,但B-B截面上穩定區的縱向殘余拉應力更大,最大值達到211 MPa,約為母材屈服強度的90%．從圖4(c)中可以,縱向殘余應力在焊縫中心兩側-30～30 mm之間為較大的拉應力,峰值應力出現在熱影響區,約200 MPa,焊縫上的縱向殘余應力小于焊趾和熱影響區,遠離焊縫的兩端為無應力狀態．橫向殘余應力沒有呈現中間拉兩邊壓的規律,而是在+30 MPa上下浮動．圖4(d)為D-D橫截面的殘余應力分布規律，和C-C橫截面相同,峰值應力出現在焊趾上,約為90 MPa．由以上分析可知,近縫區殘余應力以縱向殘余拉應力為主,橫向殘余拉應力相對較低．縱向殘余應力最大值更接近于材料的屈服強度,這是因為焊縫冷卻凝固時焊縫縱向收縮程度遠大于橫向收縮程度[13]．

圖4 超聲沖擊前焊接殘余應力分布Fig.4 Distribution diagrams of residual stress before ultrasonic impact

2.2 超聲沖擊強度對焊接殘余應力的影響

超聲沖擊前,用記號筆標出100 mm×70 mm的面積，并使用4個沖擊針頭按照0.5、1.5、2.0和3.0 s/cm2不同的沖擊強度進行沖擊,然后通過Image Pro軟件計算出沖擊覆蓋率,各沖擊強度所對應的沖擊覆蓋率如表3,2.0 s/cm2沖擊處理結果如圖5．

表3 沖擊強度對應的沖擊覆蓋率Table 3 Ultrasonic impact coverage corresponding to ultrasonic impact strength

圖5 2.0 s/cm2沖擊處理結果Fig.5 2.0 s/cm2 impact treatment results

焊接接頭在不同沖擊強度下的殘余應力分布如圖6．

圖6 不同沖擊強度下的殘余應力分布Fig.6 Residual stress distribution at different ultrasonic impact strength

從圖中可以看出,當超聲沖擊強度為0.5 s/cm2時,沖擊區域拉應力基本上都轉化為壓應力．靠近沖擊邊緣的一側縱向和橫向應力都為拉應力,這是由于沖擊覆蓋率為60%,該測試點沒有覆蓋到沖擊壓痕上．當覆蓋率達到100%～140%時,沖擊區域的壓應力較為均勻,平均壓應力在180 MPa左右,相比沖擊前,應力平均下降了260%,超聲沖擊處理達到理想效果．隨著沖擊強度的進一步增加,沖擊區域壓應力也隨之增大,最終在220 MPa處波動,說明超聲沖擊強度引入的殘余壓應力已經達到極限,產生上述結果的原因是[14-15]:超聲沖擊針以高頻振動不斷地撞擊被處理材料表面,導致材料表層位錯滑移,位錯滑移一方面使晶體產生塑性變形,造成殘余拉應力峰值下降,從而改變了工件原有的內應力場,在較低的應力水平下達到平衡;另一方面產生位錯增殖及亞結構的變化,使金屬發生強烈的加工硬化,強度大大提高,抵抗塑性變形能力增強,所以當繼續增加沖擊強度時,產生的壓應力不再繼續增加．

2.3 沖擊焊趾對焊接殘余應力的影響

在焊接生產過程中,焊趾一般是焊接接頭的薄弱環節,這是因為焊趾處容易產生應力集中、殘余拉應力以及焊接缺陷,導致焊接接頭的性能下降．超聲沖擊可以改善焊趾形貌,降低應力集中和焊接殘余應力[16]．圖7為采用2針單獨沖擊焊趾部位得到的不同沖擊強度下的應力分布．焊趾在經過1.0 s/cm2的沖擊強度處理后,縱向殘余應力由沖擊前的拉應力(120 MPa)轉變為壓應力(140 MPa)．焊縫上的拉應力也轉變成壓應力,熱影響區的拉應力下降了40%左右．隨著沖擊強度的增加,壓應力最終在200 MPa處波動．焊趾處的橫向殘余應力也引入了120 MPa左右的壓應力,但略小于縱向應力．相對于全覆蓋沖擊,只沖擊焊趾的方法適用于承受疲勞載荷的焊接接頭,可以大大提高工作效率．

圖7 不同沖擊強度對焊趾附近殘余應力的影響Fig.7 Effect of different impact strength on residual stress near weld toe

2.4 超聲沖擊對焊縫表層殘余應力的影響

使用角磨機將超聲沖擊覆蓋率為140%的焊縫和焊趾上的麻坑打磨平整,然后采用拋光設備分別對焊縫和焊趾上的一個測試點進行逐層拋光,每次拋光深度約為0.2 mm,測試不同層深的殘余應力值,得到結果如圖8．從圖8(a)和(b)可以看出,隨著拋光深度的增加,焊縫上的焊態殘余應力波動比較大,曲線存在多個應力峰值．縱向殘余應力值隨拋光深度的增加而減小,當拋光深度位于0.25～1 mm范圍內時,殘余拉應力平均值約為100 MPa,拋光深度達到2.5 mm后,應力值在±50 MPa內波動．焊縫在經過超聲沖擊處理后,焊縫表面壓應力約為190 MPa,在距焊縫表面0.2～0.4 mm距離時,縱向應力和橫向應力分別達到最大值,約為220 MPa．隨著拋光深度的增加,壓應力逐漸減小．當拋光深度達到2.5 mm后,沖擊后的焊縫殘余應力和未沖擊處理的殘余應力保持一致．

圖8(c)和(d)表明焊趾上殘余應力隨拋光深度的增加而逐漸減小．縱向殘余應力由表層的160 MPa逐漸降低,最終在3 mm深度呈現較小的壓應力．焊趾上的殘余應力分布規律和焊縫上一致,也是在距離焊趾表面0.2～0.4 mm處,殘余應力達到最大值,然后隨著拋光深度的增加逐漸降低,在拋光深度達到2 mm后,超聲沖擊產生的壓應力消失．這說明超聲沖擊不僅能夠消除材料的表面殘余應力,還可以起到松弛焊縫表層殘余應力的作用．但隨著深度的增加,其作用效果逐漸減弱[17]．

圖8 焊縫和焊趾深度方向殘余應力分布Fig.8 Depth gradient of residual stresses at the weld and toe

3 結論

(1)5083鋁合金焊接接頭焊趾和距焊縫中心線20 mm處的縱向殘余應力在焊縫起點和終點附近趨于零應力狀態,穩定區為較大的殘余拉應力,應力平均值分別為110 MPa和160 MPa．兩者的橫向殘余應力在兩端為較大的壓應力,穩定區應力值在±50 MPa波動,遠小于縱向殘余拉應力．垂直于焊縫方向的殘余應力分布為縱向殘余應力在近焊縫中心兩側(-30～30 mm)為較大的拉應力,遠離焊縫的兩端為較小的壓應力．

(2)經過全覆蓋超聲沖擊處理后,沖擊區域的拉應力轉變為壓應力．隨著沖擊強度的不斷增加,壓應力也逐漸增大,但增大速度較小,壓應力最終在220 MPa波動．在只沖擊焊趾的情況下,焊趾處的縱向殘余拉應力轉變為較大的殘余壓應力,并且焊縫上的拉應力也轉變成壓應力．

(3)經過超聲沖擊處理后,在距離焊縫和焊趾表面0.2～0.4 mm處,沖擊產生的殘余應壓力達到最大值,隨著拋光深度的增加,壓應力逐漸減小,在拋光深度達到2 mm后,沖擊后的焊縫殘余應力和未沖擊處理的殘余應力保持一致．