高速列車用A5083P-O鋁合金MIG焊熱循環(huán)分析及殘余應(yīng)力研究

張洪才，吉 華，茍國(guó)慶，李 達(dá)，陳 輝

(1.鐵道部駐青島機(jī)車車輛驗(yàn)收室，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué) 焊接研究所，四川成都 610031)

高速列車用A5083P-O鋁合金MIG焊熱循環(huán)分析及殘余應(yīng)力研究

張洪才1，吉 華2，茍國(guó)慶2，李 達(dá)2，陳 輝2

(1.鐵道部駐青島機(jī)車車輛驗(yàn)收室，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué) 焊接研究所，四川成都 610031)

采用熱循環(huán)裝置對(duì)A5083P-O鋁合金MIG焊進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試，并對(duì)MIG焊過程溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。測(cè)試結(jié)果表明：在焊縫中心處，熱循環(huán)曲線比較“尖”，隨著離焊縫中心的距離增加，熱循環(huán)曲線由“尖”變“鈍”，加熱速度、峰值溫度、高溫停留時(shí)間與時(shí)間呈線性變化，而冷卻速度變化規(guī)律不明顯。計(jì)算結(jié)果表明，在其他焊接工藝參數(shù)不變且焊接速度為7.5 mm／s的情況下，當(dāng)焊接時(shí)間為10 s即焊接長(zhǎng)度約為75 mm時(shí)，焊接溫度場(chǎng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，熱循環(huán)測(cè)試曲線和計(jì)算曲線規(guī)律一致。殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，焊接過程中不均勻的溫度場(chǎng)是形成焊接殘余應(yīng)力的主要原因，且小孔法和X射線法測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合，規(guī)律一致。

高速列車；5083鋁合金；熱循環(huán)；殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬

0 前言

A5083P-O鋁合金比強(qiáng)度和比剛度高，易于成型，具有良好的抗蝕性和可焊性。A5083P-O鋁合金焊接結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航空航天、國(guó)防工業(yè)、交通運(yùn)輸特別是高速列車鋁合金車體的生產(chǎn)和制造中。惰性氣體保護(hù)金屬極電弧焊(MIG焊)是A5083P-O鋁合金常用的焊接方式之一。焊接是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過程，焊接熱循環(huán)溫度變化和相變冷卻等重要的焊接冷卻過程信息對(duì)于了解焊接冷卻相變過程、接頭組織、應(yīng)力變形，提高焊接質(zhì)量都具有重要意義。因此，焊接熱循環(huán)的測(cè)試、計(jì)算和分析具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。此外，焊接殘余應(yīng)力對(duì)評(píng)價(jià)服役狀態(tài)車體焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命評(píng)估也有著十分重要的意義。

金成[1]等人采用ABAQUS軟件對(duì)鋁合金平板TIG焊過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算出高度不均勻的焊接溫度場(chǎng)是導(dǎo)致構(gòu)件中產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力和變形的主要原因。陳玉華[2]等人采用SYSWELD軟件建立了X70管道模擬，以水為運(yùn)行介質(zhì)，對(duì)管道在役焊接粗晶區(qū)的熱循環(huán)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討介質(zhì)流速、管道壁厚和焊接熱輸入等因素對(duì)焊接熱循環(huán)的影響規(guī)律，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。米國(guó)發(fā)[3]等人通過模擬真空熱循環(huán)試驗(yàn)，研究了熱循環(huán)因素對(duì)5A06鋁合金焊接接頭斷裂機(jī)理的影響。劉雪松[4]等人研究了LY12CZ鋁合金焊接件在經(jīng)受熱循環(huán)作用下的尺寸不穩(wěn)定變形規(guī)律，并對(duì)產(chǎn)生這種變形的機(jī)理進(jìn)行力學(xué)和微觀組織分析，結(jié)果表明焊件發(fā)生尺寸不穩(wěn)定變形的原因與溫度條件、微觀組織的變化以及焊接殘余應(yīng)力的松弛密切相關(guān)。

國(guó)外一些學(xué)者也在這方面作了研究。JAN ZACH -RISSON利用Dewetron Daqn-Therm[5]模塊完成溫度采集，結(jié)合焊縫金屬顯微組織特征和熱分析過程對(duì)焊縫金屬相變進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)，測(cè)定焊縫金屬相變行為曲線。前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院巴頓焊接研究所利用PC機(jī)控制程序和數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)監(jiān)控，為其研究鋼在焊接熱循環(huán)條件下的性能，以及評(píng)估焊縫金屬的裂紋趨向提供依據(jù)，以便在大范圍參數(shù)中模擬熱循環(huán)條件。該機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以讀取文件和數(shù)據(jù)，并將其輸出至繪圖儀以分析預(yù)設(shè)的參數(shù)[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高速列車用A5083P-O鋁合金MIG焊熱循環(huán)的研究還比較少，對(duì)于A5083P-O鋁合金焊接構(gòu)件失效行為及失效機(jī)制的研究不夠深入。本研究將對(duì)A5083P-O鋁合金MIG焊熱循環(huán)曲線進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)分析A5083P-O鋁合金MIG焊焊接殘余應(yīng)力，并采用SYSWELD軟件對(duì)熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果和殘余應(yīng)力測(cè)試值進(jìn)行數(shù)值模擬以進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)量值。這對(duì)于指導(dǎo)高速列車車體生產(chǎn)、優(yōu)化焊接工藝以及建立車體殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)庫有重要的意義。此外，熱循環(huán)曲線的測(cè)定和殘余應(yīng)力的獲取對(duì)于焊接接頭安全評(píng)價(jià)、焊接接頭疲勞可靠性分析以及車體壽命評(píng)估有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)材料、方法、設(shè)備和過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自高速動(dòng)車組車用鋁合金擠壓板材，牌號(hào)A5083P-O，其化學(xué)成分如表1所示。試板尺寸400 mm×250 mm×4 mm，焊接填充材料采用進(jìn)口的ER5356焊絲，焊絲直徑φ 1.2 mm，其化學(xué)成分如表2所示。試驗(yàn)所用保護(hù)氣體為氬氣，純度大于99.99%[7]。

表1 母材5083鋁合金化學(xué)成分 %

表2 ER5356焊絲化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

采用MIG焊焊接A5083P-O鋁合金，工藝參數(shù)如表3所示。采用熱電偶測(cè)量焊接溫度場(chǎng)中熱循環(huán)曲線，利用小孔法、X射線衍射法對(duì)A5083P-O鋁合金焊接接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，并采用法國(guó)ESI公司SYSWELD軟件對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬，對(duì)比分析及驗(yàn)證熱循環(huán)測(cè)定曲線和殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。

表3 實(shí)際焊接參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用EWM的PHOENIX 421焊機(jī)進(jìn)行MIG焊試驗(yàn)，如圖1所示。采用實(shí)驗(yàn)室自制的八通道熱循環(huán)測(cè)定箱進(jìn)行焊接熱循環(huán)曲線測(cè)量，數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)SB7333，如圖2所示。殘余應(yīng)力有損測(cè)試設(shè)備采用鄭州機(jī)械研究所生產(chǎn)的小孔法測(cè)試設(shè)備，應(yīng)變片型號(hào)TJ120-1.5-φ 1.5，設(shè)備如圖3所示。殘余應(yīng)力無損測(cè)量設(shè)備采用加拿大Proto公司生產(chǎn)的iXRD殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x，如圖4所示。

1.4 試驗(yàn)過程

為測(cè)量焊縫中心點(diǎn)熱循環(huán)參數(shù)，將熱電偶布置在A5083P-O鋁板的下方。同時(shí)為保證能夠測(cè)量穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)時(shí)焊縫中心熱循環(huán)，將熱電偶布置在鋁板焊道長(zhǎng)度方向上中間位置上，共布置四個(gè)熱電偶，距離焊縫中心分別為0 mm、3 mm、6 mm和9 mm，如圖5、圖6所示。

圖1 MIG焊機(jī)主界面

圖2 八通道熱循環(huán)測(cè)定箱

圖3 小孔法設(shè)備

圖4 X射線測(cè)量?jī)x

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 熱循環(huán)曲線測(cè)試結(jié)果及驗(yàn)證

2.1.1 熱循環(huán)曲線測(cè)試結(jié)果

圖5 試驗(yàn)在試板中的位置

圖6 離焊縫中心不同距離的熱電偶布置

熱循環(huán)曲線如圖7所示。由圖7可知，在距離焊縫中心越近的位置，溫度變化范圍越大，變化速率越快。離焊縫中心距離分別為0mm、3mm、6mm、9mm各點(diǎn)熱循環(huán)測(cè)試曲線計(jì)算加熱速度、峰值溫度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度分別如圖8～圖11所示。對(duì)于鋁合金，定義一個(gè)冷卻時(shí)間參數(shù)t4／2，代表400℃～200℃的冷卻時(shí)間。

圖7 離焊縫中心不同距離熱循環(huán)曲線

圖8 加熱速率曲線

鋁合金的熱循環(huán)曲線形狀相對(duì)鋼的熱循環(huán)曲線比較“尖”，說明加熱速度和冷卻速度都很快，但是加熱速度比冷卻速度更快，因?yàn)殇X合金的熱導(dǎo)率比較好，在熱源接近時(shí)溫度迅速上升，在熱源遠(yuǎn)離時(shí)熱量還在不斷輸入，從而降低了試板的冷卻速度。由圖7和圖9可知，焊縫中心溫度774℃，比鋁合金熔點(diǎn)偏高，這是由于熱源瞬間加在焊縫熔池上，有一個(gè)熱慣性作用，從而測(cè)出的瞬間溫度比較高。在3 mm處的峰值溫度為575℃，在6 mm處的峰值溫度為451℃，在9 mm處的峰值溫度為306℃。可以看出，在焊接過程中，焊接接頭上有較大的溫度梯度。

圖9 峰值溫度曲線

圖10 高溫停留時(shí)間曲線

圖11 冷卻時(shí)間曲線

由圖8～圖10還可以看出，隨著距焊縫中心距離的增加，加熱速率、峰值溫度、高溫停留時(shí)間呈下降趨勢(shì)，而冷卻時(shí)間變化趨勢(shì)不明顯。這是由于在焊接過程中，在電弧直接作用的部位其受熱作用較為明顯，而遠(yuǎn)離焊縫處，受電弧的作用較小。從圖12焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬中也可以得到驗(yàn)證。

2.1.2 有限元計(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證熱循環(huán)曲線測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用SYSWELD軟件對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬。不同時(shí)刻的焊接溫度場(chǎng)如圖12所示，焊縫長(zhǎng)度方向上不同位置熱循環(huán)曲線如圖13所示。

從圖12和圖13可以看出，在焊接開始和結(jié)束階段，焊接溫度場(chǎng)變化梯度較為明顯，此時(shí)焊接溫度場(chǎng)處于非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。對(duì)于長(zhǎng)度為400mm的鋁合金板MIG焊，當(dāng)焊接到10 s時(shí)(焊接速度7.5 mm／s)，此時(shí)焊縫長(zhǎng)度約為75 mm。表明在該焊接工藝條件下，當(dāng)焊接時(shí)間超過10 s、焊縫長(zhǎng)度超過75 mm時(shí)，焊接溫度場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在本試驗(yàn)中，熱電偶布置在對(duì)接鋁合金板的中心，距離邊緣約為250 mm，當(dāng)移動(dòng)電弧經(jīng)過時(shí)，焊接溫度場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，該狀態(tài)下的溫度場(chǎng)熱循環(huán)曲線具有代表意義。

離焊縫中心不同距離熱循環(huán)數(shù)值模擬曲線如圖14所示，隨著距焊縫中心越遠(yuǎn)，焊接熱循環(huán)曲線由“尖”變“鈍”，表明隨著距離焊縫中心距離的增加，加熱速度和冷卻速度降低。這種趨勢(shì)變化與圖7中熱循環(huán)測(cè)試曲線基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了測(cè)試值。

圖13 焊縫上不同點(diǎn)熱循環(huán)曲線

圖14 離焊縫中心不同距離熱循環(huán)曲線

2.2 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及驗(yàn)證

A5083P-O鋁合金殘余應(yīng)力對(duì)比如圖15所示。

圖15 A5083P-O鋁合金殘余應(yīng)力對(duì)比分析

由圖15可知，焊接過程中不均勻的溫度場(chǎng)是形成殘余應(yīng)力的主要原因之一。數(shù)值模擬計(jì)算值、X射線測(cè)試值和小孔法測(cè)試值趨勢(shì)一致，焊縫中心是拉應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域是壓應(yīng)力。在焊接熔合線附近，焊接殘余應(yīng)力有比焊縫處升高的趨勢(shì)，這與該處應(yīng)力集中程度有關(guān)。從測(cè)試值和計(jì)算值可以看出，在離焊縫中心0 mm、3 mm、6 mm和9 mm處殘余應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明殘余應(yīng)力測(cè)試值和計(jì)算值與溫度場(chǎng)、熱循環(huán)測(cè)試曲線變化趨勢(shì)吻合。

3 結(jié)論

(1)通過熱循環(huán)裝置對(duì)A5083P-O鋁合金MIG焊熱循環(huán)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明加熱速度、高溫停留時(shí)間、峰值溫度和冷卻速度與時(shí)間呈現(xiàn)規(guī)律性的變化關(guān)系。焊縫處熱循環(huán)曲線比較“尖”，加熱速度和冷卻速度較快。

(2)對(duì)A5083P-O鋁合金MIG焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬表明，若焊接速度為7.5 mm／s且在其他條件不變的情況下，當(dāng)焊接時(shí)間為10 s，即當(dāng)焊道長(zhǎng)度約為75 mm時(shí)，焊接溫度場(chǎng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)A5083P-O鋁合金MIG焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬表明，隨著離焊縫中心的距離增加，加熱速度和冷卻速度降低，焊接熱循環(huán)曲線由“尖”變“鈍”。數(shù)值模擬熱循環(huán)曲線呈現(xiàn)的分布狀態(tài)和熱循環(huán)曲線變化趨勢(shì)與測(cè)試曲線基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了測(cè)試值。

(4)A5083P-O鋁合金MIG焊殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果表明，焊接過程中不均勻的溫度場(chǎng)是形成焊接殘余應(yīng)力主要原因之一，且隨著離焊縫中心距離的增加，焊接殘余應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。采用小孔法、X射線衍射法對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明測(cè)試數(shù)值有一定差異，但測(cè)試規(guī)律吻合。

[1]金 成，牛濟(jì)泰，何世禹，等.鋁合金平板鎢極氬弧焊數(shù)值模擬與殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)[J].機(jī)械工程材料，2007，31(3)：58-62.

[2]陳玉華，王 勇.基于SYSWELD的運(yùn)行管道在役焊接熱循環(huán)數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28(1)：85-88.

[3]米國(guó)發(fā)，趙大為，牛濟(jì)泰，等.熱循環(huán)作用下5A06鋁合金焊接接頭斷裂機(jī)理的研究[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010(4)：6-8.

[4]劉雪松，徐文立，方洪淵，等.LY12CZ鋁合金焊件在熱循環(huán)作用下的尺寸不穩(wěn)定性[J].焊接學(xué)報(bào)，2004，25(3)：82-84.

[5]Jan Zachrisson.In Situ detection and characterisation of phase transformations in weld metals[D].Master's Thesis，2006：135CIV.

[6]Hu Zhenhai，Zhang Jianhao.Development of E.O.Paton Electric Welding Institute of Ukraine[J].Aerospace Shanghai，1999(6)：49-54.

Research on thermal cycle and residual stress of A5083P-O aluminum alloy MIG welding on high speed train

ZHANG Hong-cai1，JI Hua2，GOU Guo-qing2，LI Da2，CHEN Hui2
(1.CSR Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China；2.Institute of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Thermal cycle parameters of A5083P-O aluminum alloy MIG welding are measured by means of thermal cycle equipment, and temperature field and residual stress are studied by numerical simulation.Measuring results show that in the center of weld bead，thermal cycle curves are“sharp”and thermal cycle curves will change“passivation”from“sharp”when the distance increase from the center of weld bead.The rate of heating，the peak value of temperature and the residence time of high temperature show linear relation with time，while the change tends of cooling rate are not obvious.Measuring results show welding temperature field present steady state when the welding length is about 75 mm.Non-uniform temperature field during welding is the main formation reason of residual stress.The measuring results of hole-drilling method and X-ray diffraction method are coordinate with results of simulation.Key words：high speed train；A5083P-O aluminum alloy；thermal cycle；residual stress；numerical simulation

TG457.14

A

1001-2303(2011)11-00030-05

2011-10-13

張洪才(1959—)，男，山東青島人，高級(jí)工程師，博士，主要從事電力機(jī)車車體制造工藝工作。