超声冲击处理对5083铝合金焊接接头残余应力的影响

于华宽,高 飞,丁立南,胡 浩,邹家生

(江苏科技大学 先进焊接技术省级重点试验室,镇江212100)

5083铝合金属于铝镁系合金,具有中等强度、耐腐蚀、易加工等优点,十分符合造船材料高强度、轻量化的要求[1],是游艇和各种工作型快艇主要结构的首选材料[2-4]．铝合金船体的主要连接方式为焊接,但铝合金材料线膨胀系数大、导热性强,在拘束状态下焊接时,焊接接头容易产生很大的残余应力．目前国内外对5083铝合金的研究主要围绕调整焊接工艺来提高铝合金接头性能,也有研究人员采用数值模拟研究5083铝合金焊接残余应力分布[5],或采用喷丸处理减少5083铝合金材料焊接残余应力[6],但由于喷丸强化设备的限制,不适于船体等大型结构残余应力的调控．

超声冲击处理(ultrasonic impact treatment，UIT)是目前国内外应用较广的表面局部强化和消除残余应力的工艺方法[7-10]．但是采用不同的超声冲击工艺参数所产生的应力状态不同,从而影响接头性能的改善程度[11]．如果冲击工艺选择错误反而会削弱焊接接头的性能[12]．因此,研究超声冲击处理工艺对5083铝合金焊接接头残余应力的影响及其变化规律,具有实际应用价值．文中主要研究不同的超声冲击区域和冲击强度对5083铝合金焊接接头残余应力的影响．

1 试验

1.1 试验材料和焊接方法

试验所用母材为5083 H116铝合金,规格为400 mm×200 mm×8 mm．母材和焊材的化学成分如表1．焊接方法为在约束条件下采用MIG双面对接焊接,焊接电流为125～135 A,焊接电压为19～22 V,保护气体流量为25～28 L/min,焊接速度为25～45 cm/min．

表1 试验材料化学成分Table 1 Chemical compositions of 5083 Al alloy w(x)/%

1.2 残余应力测试

采用XRD应力测试仪(加拿大Proto-epco)测试残余应力．在残余应力测试前,采用XRD设备自带的电解抛光设备对测试表面进行抛光处理,iXRD测试5083铝合金参数如表2．残余应力测试点如图1,测试点分布在距焊缝中心线6 mm的焊趾处(A-A纵截面)和20 mm的B-B纵截面．同时测试了距焊缝中心横截面(Ⅰ-Ⅰ截面)45 mm处C-C横截面和距焊缝中心横截面135 mm处D-D横截面的残余应力分布．

表2 X射线衍射仪测试参数Table 2 Test parameters of X-ray diffractometer

图1 表面测试点分布图(单位：mm)Fig.1 Schematic of measuring positions on test plate(unit:mm)

1.3 超声冲击工艺

试验使用的超声冲击设备型号为JSKD-D,超声频率为20 kHz,超声冲击枪重量为4 kg,冲击针针头分为平头(φ3 mm的平面)和圆头直径(φ2 mm的半球面),如图2．超声冲击工艺为:① 使用4针平头冲击针对焊接接头进行全覆盖冲击,冲击强度分别为0.5、1.5、2.0和3.0 s/cm2;② 使用2针圆头冲击针对焊趾进行冲击,冲击强度分别为1、2和3 s/cm2．图3为超声冲击位置示意．

图2 超声冲击针头示意Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic impact needle

图3 超声冲击位置(单位：mm)Fig.3 Location of ultrasonic impact treatment(unit:mm)

2 试验结果与讨论

2.1 拘束焊接残余应力分布

图4为超声冲击前焊接残余应力分布,σx为沿焊缝方向的残余应力,即纵向残余应力;σy为垂直焊缝方向的残余应力,即横向残余应力．

从图4(a)可知,焊趾处A-A截面的纵向残余应力在接头起点和终点附近趋于零应力状态．随着远离焊缝起点和终点,拉应力也逐渐增大,最后在-140～140 mm区域稳定,纵向残余拉应力平均值约为110 MPa,为母材屈服强度的48%．横向残余应力在焊缝两端为较大的压应力,最大值达到100 MPa．随后残余压应力逐渐减小,应力值在0～60 MPa波动,远小于纵向残余拉应力．图4(b)为B-B截面上的残余应力分布,其分布规律和焊趾相似,但B-B截面上稳定区的纵向残余拉应力更大,最大值达到211 MPa,约为母材屈服强度的90%．从图4(c)中可以,纵向残余应力在焊缝中心两侧-30～30 mm之间为较大的拉应力,峰值应力出现在热影响区,约200 MPa,焊缝上的纵向残余应力小于焊趾和热影响区,远离焊缝的两端为无应力状态．横向残余应力没有呈现中间拉两边压的规律,而是在+30 MPa上下浮动．图4(d)为D-D横截面的残余应力分布规律，和C-C横截面相同,峰值应力出现在焊趾上,约为90 MPa．由以上分析可知,近缝区残余应力以纵向残余拉应力为主,横向残余拉应力相对较低．纵向残余应力最大值更接近于材料的屈服强度,这是因为焊缝冷却凝固时焊缝纵向收缩程度远大于横向收缩程度[13]．

图4 超声冲击前焊接残余应力分布Fig.4 Distribution diagrams of residual stress before ultrasonic impact

2.2 超声冲击强度对焊接残余应力的影响

超声冲击前,用记号笔标出100 mm×70 mm的面积，并使用4个冲击针头按照0.5、1.5、2.0和3.0 s/cm2不同的冲击强度进行冲击,然后通过Image Pro软件计算出冲击覆盖率,各冲击强度所对应的冲击覆盖率如表3,2.0 s/cm2冲击处理结果如图5．

表3 冲击强度对应的冲击覆盖率Table 3 Ultrasonic impact coverage corresponding to ultrasonic impact strength

图5 2.0 s/cm2冲击处理结果Fig.5 2.0 s/cm2 impact treatment results

焊接接头在不同冲击强度下的残余应力分布如图6．

图6 不同冲击强度下的残余应力分布Fig.6 Residual stress distribution at different ultrasonic impact strength

从图中可以看出,当超声冲击强度为0.5 s/cm2时,冲击区域拉应力基本上都转化为压应力．靠近冲击边缘的一侧纵向和横向应力都为拉应力,这是由于冲击覆盖率为60%,该测试点没有覆盖到冲击压痕上．当覆盖率达到100%～140%时,冲击区域的压应力较为均匀,平均压应力在180 MPa左右,相比冲击前,应力平均下降了260%,超声冲击处理达到理想效果．随着冲击强度的进一步增加,冲击区域压应力也随之增大,最终在220 MPa处波动,说明超声冲击强度引入的残余压应力已经达到极限,产生上述结果的原因是[14-15]:超声冲击针以高频振动不断地撞击被处理材料表面,导致材料表层位错滑移,位错滑移一方面使晶体产生塑性变形,造成残余拉应力峰值下降,从而改变了工件原有的内应力场,在较低的应力水平下达到平衡;另一方面产生位错增殖及亚结构的变化,使金属发生强烈的加工硬化,强度大大提高,抵抗塑性变形能力增强,所以当继续增加冲击强度时,产生的压应力不再继续增加．

2.3 冲击焊趾对焊接残余应力的影响

在焊接生产过程中,焊趾一般是焊接接头的薄弱环节,这是因为焊趾处容易产生应力集中、残余拉应力以及焊接缺陷,导致焊接接头的性能下降．超声冲击可以改善焊趾形貌,降低应力集中和焊接残余应力[16]．图7为采用2针单独冲击焊趾部位得到的不同冲击强度下的应力分布．焊趾在经过1.0 s/cm2的冲击强度处理后,纵向残余应力由冲击前的拉应力(120 MPa)转变为压应力(140 MPa)．焊缝上的拉应力也转变成压应力,热影响区的拉应力下降了40%左右．随着冲击强度的增加,压应力最终在200 MPa处波动．焊趾处的横向残余应力也引入了120 MPa左右的压应力,但略小于纵向应力．相对于全覆盖冲击,只冲击焊趾的方法适用于承受疲劳载荷的焊接接头,可以大大提高工作效率．

图7 不同冲击强度对焊趾附近残余应力的影响Fig.7 Effect of different impact strength on residual stress near weld toe

2.4 超声冲击对焊缝表层残余应力的影响

使用角磨机将超声冲击覆盖率为140%的焊缝和焊趾上的麻坑打磨平整,然后采用抛光设备分别对焊缝和焊趾上的一个测试点进行逐层抛光,每次抛光深度约为0.2 mm,测试不同层深的残余应力值,得到结果如图8．从图8(a)和(b)可以看出,随着抛光深度的增加,焊缝上的焊态残余应力波动比较大,曲线存在多个应力峰值．纵向残余应力值随抛光深度的增加而减小,当抛光深度位于0.25～1 mm范围内时,残余拉应力平均值约为100 MPa,抛光深度达到2.5 mm后,应力值在±50 MPa内波动．焊缝在经过超声冲击处理后,焊缝表面压应力约为190 MPa,在距焊缝表面0.2～0.4 mm距离时,纵向应力和横向应力分别达到最大值,约为220 MPa．随着抛光深度的增加,压应力逐渐减小．当抛光深度达到2.5 mm后,冲击后的焊缝残余应力和未冲击处理的残余应力保持一致．

图8(c)和(d)表明焊趾上残余应力随抛光深度的增加而逐渐减小．纵向残余应力由表层的160 MPa逐渐降低,最终在3 mm深度呈现较小的压应力．焊趾上的残余应力分布规律和焊缝上一致,也是在距离焊趾表面0.2～0.4 mm处,残余应力达到最大值,然后随着抛光深度的增加逐渐降低,在抛光深度达到2 mm后,超声冲击产生的压应力消失．这说明超声冲击不仅能够消除材料的表面残余应力,还可以起到松弛焊缝表层残余应力的作用．但随着深度的增加,其作用效果逐渐减弱[17]．

图8 焊缝和焊趾深度方向残余应力分布Fig.8 Depth gradient of residual stresses at the weld and toe

3 结论

(1)5083铝合金焊接接头焊趾和距焊缝中心线20 mm处的纵向残余应力在焊缝起点和终点附近趋于零应力状态,稳定区为较大的残余拉应力,应力平均值分别为110 MPa和160 MPa．两者的横向残余应力在两端为较大的压应力,稳定区应力值在±50 MPa波动,远小于纵向残余拉应力．垂直于焊缝方向的残余应力分布为纵向残余应力在近焊缝中心两侧(-30～30 mm)为较大的拉应力,远离焊缝的两端为较小的压应力．

(2)经过全覆盖超声冲击处理后,冲击区域的拉应力转变为压应力．随着冲击强度的不断增加,压应力也逐渐增大,但增大速度较小,压应力最终在220 MPa波动．在只冲击焊趾的情况下,焊趾处的纵向残余拉应力转变为较大的残余压应力,并且焊缝上的拉应力也转变成压应力．

(3)经过超声冲击处理后,在距离焊缝和焊趾表面0.2～0.4 mm处,冲击产生的残余应压力达到最大值,随着抛光深度的增加,压应力逐渐减小,在抛光深度达到2 mm后,冲击后的焊缝残余应力和未冲击处理的残余应力保持一致．