腐蝕環(huán)境下豪克能沖擊焊接接頭殘余應(yīng)力變化規(guī)律
尹鳳偉
摘要：采用X 射線衍射法（iXRD）對6005A 鋁合金型焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行無損檢測，研究豪克能沖擊處理鋁合金焊接接頭的殘余應(yīng)力分布情況的影響以及豪克能超聲沖擊對鋁合金焊接接頭在海洋大氣腐蝕環(huán)境中殘余應(yīng)力的變化規(guī)律的影響。結(jié)果表明，豪克能沖擊處理使得殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，且應(yīng)力分布更加均勻；豪克能沖擊處理后，隨腐蝕時間的延長，焊接接頭個微區(qū)可長期保持殘余壓應(yīng)力，并有逐漸減小的趨勢。
關(guān)鍵詞：豪克能沖擊；殘余應(yīng)力、腐蝕環(huán)境；豪克能焊接應(yīng)力消除設(shè)備
鋁合金焊接接頭存在較為嚴(yán)重的焊接殘余應(yīng)力和變形，作為影響高速列車鋁合金車體結(jié)構(gòu)的安全可靠性和服役壽命的關(guān)鍵因素，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。超聲沖擊能改善母材過渡區(qū)和焊縫的形狀，從而降低應(yīng)力集中系數(shù)，調(diào)整焊接接頭的殘余應(yīng)力場，并且在應(yīng)力集中處產(chǎn)生有利的正壓力，是一種有效的控制和消除焊接接頭殘余應(yīng)力的方法。但超聲沖擊處理后的焊接接頭在高速列車運(yùn)行過程中其殘余應(yīng)力有怎樣的變化，是目前尚未研究的領(lǐng)域，而這一研究對于高速列車車體結(jié)構(gòu)服役壽命研究具有重要意義[1-3]。本研究主要針對海洋性大氣環(huán)境這一典型大氣環(huán)境進(jìn)行殘余應(yīng)力研究，為高速車體焊接接頭的的安全可靠性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1 試驗(yàn)
試驗(yàn)材料為高速列車用6005A 型材表皮板試板，尺寸300 mm×250 mm（含焊縫），其化學(xué)成分如表1所示。殘余應(yīng)力測試點(diǎn)分布如圖1 所示，焊縫寬度12mm，以焊縫為中心，平均每隔3 mm 布置一個點(diǎn)，共11 個點(diǎn)。其中點(diǎn)5、6、7 為焊縫上的測試點(diǎn)，4、8 點(diǎn)為焊趾測試點(diǎn)，3、9 點(diǎn)為熱影響區(qū)測試點(diǎn)，點(diǎn)1、2、10、11 為母材測試點(diǎn)。
覆蓋超聲沖擊，采用X 射線衍射法測試超聲沖擊前后試樣的殘余應(yīng)力和硬度，然后將超聲沖擊處理前后的試樣放入鹽霧箱進(jìn)行中性鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)，分別在腐蝕3 天、5 天、1 周、2 周、1 月、2 月、4 月、6 月后將試樣取出，再次采用X 射線衍射法測試超聲沖擊前后試樣經(jīng)不同時間鹽霧腐蝕后的殘余應(yīng)力及硬度。每個試驗(yàn)條件下采用9 件平行試樣。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 超聲沖擊前后焊接接頭殘余應(yīng)力
試驗(yàn)采用Hy2050 豪克能焊接應(yīng)力消除設(shè)備對焊縫區(qū)進(jìn)行全覆蓋沖擊，激勵電流1.6 A，設(shè)定沖擊速度為8.33 mm/min。
由圖2 和圖3 可知，在超聲沖擊處理前，焊接接頭的縱向殘余應(yīng)力的平均值為26.95 MPa，最大殘余拉應(yīng)力位于母材應(yīng)力值為127.52 MPa，橫向殘余應(yīng)力的均值為30.44 MPa，最大殘余拉應(yīng)力位于焊縫應(yīng)力值為194.49 MPa，且應(yīng)力分布極不均勻，橫向應(yīng)力的起伏更大。在超聲沖擊處理后，焊接接頭縱向殘余應(yīng)力的平均值為-91.01 MPa，橫向殘余應(yīng)力的平均值為-96.01 MPa，所有測試點(diǎn)都轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，且各測試點(diǎn)應(yīng)力值起伏較沖擊前明顯降緩。
2.2 超聲沖擊前后不同微區(qū)殘余應(yīng)力隨腐蝕時間的變化
采用SO2/Q -0250 和GP/YWP90 型鹽霧腐蝕箱，中性腐蝕試介質(zhì)為5%NaCl 溶液，pH6.5～pH7.2。
分別選取焊接接頭的母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的一個典型的測試點(diǎn)，對其在超聲沖擊前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行比較，如圖4~圖6 所示。
由圖4~圖6 可知，在腐蝕時間較短時，超聲沖擊前后焊接接頭各微區(qū)的殘余應(yīng)力有上下波動情況，但隨腐蝕時間的延長，總變化趨勢是向0 MPa 方向接近。
3 分析和討論
3.1 超聲沖擊對焊接接頭殘余應(yīng)力的影響
圖2、圖3 表明，超聲沖擊對一定深度的表層具有改善應(yīng)力的效果，可以較好地消除焊接接頭各微區(qū)的殘余應(yīng)力，使其由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，還能使焊接接頭各區(qū)域的殘余應(yīng)力值的波動也趨于平緩，從而有效改變焊接殘余應(yīng)力。
3.2 腐蝕環(huán)境下超聲沖擊對焊接接頭殘余應(yīng)力變化規(guī)律的影響
圖4 ~ 圖6 表明經(jīng)過超聲沖擊處理后，焊接接頭各微區(qū)的殘余應(yīng)力不論腐蝕時間的長短，均在壓應(yīng)力范圍內(nèi)，且隨腐蝕時間的延長，殘余應(yīng)力的變化也比未經(jīng)超聲沖擊的焊接接頭各微區(qū)殘余應(yīng)力變化更為平緩，逐漸向壓應(yīng)力減小的方向變化。
4 結(jié)論
（1）超聲沖擊處理對改善6005A 焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力有良好的效果，焊縫、熱影響區(qū)和焊趾的殘余拉應(yīng)力均轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且超聲沖擊處理后整個焊接接頭的應(yīng)力值分布較沖擊前均勻。
（2）未經(jīng)超聲沖擊的焊接接頭各微區(qū)初始?xì)堄嗬瓚?yīng)力較大，隨腐蝕時間的延長，拉應(yīng)力有逐漸減小的趨勢；超聲沖擊處理后，焊接接頭各微區(qū)可以在較長時間內(nèi)保持為壓應(yīng)力，并有逐漸減小的趨勢。
