高強鋁合金焊接殘余應力的測量

胡秋實，宋永倫，黃舉近，2

（1.北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124；2.中國航天科技集團公司長征機械廠，四川成都610100）

高強鋁合金焊接殘余應力的測量

胡秋實1，宋永倫1，黃舉近1，2

（1.北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124；2.中國航天科技集團公司長征機械廠，四川成都610100）

殘余應力的“壓痕法”檢測是一種“近無損傷”的新技術，采用這種方法分別對2219-T87的TIG熔焊和攪拌摩擦焊試板接頭區(qū)的殘余應力進行了檢測，并進一步觀測了這兩種焊接方法完成的法蘭環(huán)縫、FSW的T型接頭等的殘余應力狀態(tài)。通過分析與對比，驗證了這一檢測方法具有較好的工程應用前景。

2219鋁合金；焊接；殘余應力；檢測；壓痕法

0 前言

在焊接結構的制造中，由于不均勻加熱和冷卻、接頭區(qū)組織變化等原因而產生的內應力稱為焊接應力[1]。其中，焊接殘余應力專指焊后殘留在焊接構件內的應力，當具有殘余應力的焊接結構承受外載作用時，構件的實際承受應力為殘余應力與工作應力的代數(shù)和；殘余拉應力會降低接頭的疲勞強度，在腐蝕性介質環(huán)境下會促進一些材料的應力腐蝕開裂[2]。因此，實現(xiàn)焊接結構殘余應力狀態(tài)的檢測、分析與評估，對于優(yōu)化結構與制造工藝的設計、控制焊接殘余應力的分布，改善構件尺寸穩(wěn)定性，提高其使用性能和壽命均有重要意義[3]。

從金屬材料殘余應力的分類[4]可知，第一類殘余應力是宏觀殘余應力。它在材料較大范圍或許多晶粒范圍內存在并保持平衡，在多個連續(xù)晶體范圍內保持常數(shù)，當?shù)谝活悮堄鄳λa生的力或力矩的平衡狀態(tài)遭到破壞，將導致構件宏觀尺寸的變化。因此，宏觀殘余應力與焊接殘余應力導致的結構件焊后變形關系最大。第二類殘余應力是微觀結構應力。它存在于晶粒尺度內并保持平衡，在一個或幾個晶粒的部分范圍內保持均勻。當?shù)诙悮堄鄳ζ胶鉅顟B(tài)出現(xiàn)改變，也會造成宏觀尺寸變化。第三類殘余應力是晶內亞結構應力。它是在晶粒若干個原子范圍內存在并在晶粒一小部分內保持平衡，在晶體亞結構范圍內大小不均勻，其應力狀態(tài)的變化不會引起構件宏觀尺寸變化。通過分析以晶粒為尺度描述內應力對材料局域的影響可知，焊接構件內某一位置的殘余應力值是由上述三類殘余應力疊加的結果所決定。在工程實際結構中，不僅宏、微觀殘余應力總是同時存在，而且與工作載荷所產生的工作應力產生相互耦合的作用。因此，為提高工件結構的負荷、壽命和可靠性，在設計與生產工藝中都必須考慮宏觀殘余應力的影響。

在本研究的工作中，采用“壓痕法”檢測與分析2219-T87鋁合金材料試件的焊接殘余應力，為下一步大型焊接構件的殘余應力狀態(tài)評估與工藝優(yōu)化等工程應用做一前期準備。

1 焊接殘余應力的檢測方法

焊接過程對構件的局部熱輸入，導致焊后殘余應力分布復雜，尤其在接頭區(qū)的應力值幅值變化大。在工程應用中，經典的測試方法屬盲孔法。其假定物體表面的殘余應力處于平面應力狀態(tài)，在該平面某點上鉆一個小孔，孔深等于或略大于孔徑，當孔深為孔徑的1.2倍時，鉆孔處的應力被近乎完全釋放，孔附近應力將重新分布[4]，但其缺點是對工件存在一定的損傷，對于薄壁部件或高要求結構來說往往難以實施。而另一種X射線衍射法，由于焊接接頭的不均勻組織與不規(guī)則晶粒取向等特點，易導致檢測結果的不確定性，工程實施的條件與效果較差。

采用壓痕法檢測殘余應力，其原理是盲孔法的延伸[6]，所壓入的球形壓痕產生的材料流變會引起受力材料的松弛變形，而發(fā)生的局域塑性變形始終處于周圍彈性材料的約束之中，通過應變儀測得由壓痕自身產生的彈塑性區(qū)與殘余應力作用下的周圍應力應變場疊加產生的應變變化量（稱為應變增量），得到殘余應變大小，利用胡克定律求出殘余應力[7]。在檢測時，使用電阻應變花作為測量敏感元件，并在事先對被測材料進行標定得到材料彈性應變與應變增量之間的關系。

“壓痕法”的優(yōu)點在于其已達到微損或基本無損的檢測級別[8]，這一點對于絕大多數(shù)焊接結構件的殘余應力測量來說，具有重要的工程應用價值。如在高強鋁合金LD10熱影響區(qū)測得壓痕的深度小于0.17 mm，直徑均小于0.2 mm，且其測試結果與盲孔法測試接近可比。除此之外，壓痕法所使用的設備簡單輕便，適合現(xiàn)場操作，使之工程意義更加突出。本研究所用的儀器是中科院金屬所研發(fā)的KJS-3型壓痕法應力測試儀，應變片選用中航電測儀器股份有限公司生產的BA120-1BA（11）-ZKY型應變花，靈敏度系數(shù)為2.05，該系統(tǒng)測量精度為±20 MPa。

2 焊接試板的殘余應力檢測

為研究不同焊接工藝的殘余應力分布情況，采用壓痕法分別檢測了采用TIG工藝與FSW工藝所焊試板的殘余應力。尺寸均為300mm×150mm×6mm，采用平板對焊工藝。

2.1 TIG焊試板的殘余應力檢測

單面單層TIG平板對焊工藝的殘余應力分布情況如圖1所示。

圖1 單面單層TIG焊殘余應力分布情況

單面雙層TIG焊工藝的殘余應力分布情況如圖2所示。

圖2 單面雙層TIG焊殘余應力分布情況

由上述TIG焊試板殘余應力檢測圖可知。

（1）在距焊縫中心10 mm以內的殘余應力一般均為正值，即呈拉伸應力狀態(tài)，而在距焊縫中心20 mm處，殘余應力呈負值，即處于壓應力狀態(tài)。

（2）焊縫正面殘余應力大于背面殘余應力，但分布趨勢相似。

（3）焊縫兩側的應力分布基本對稱。

（4）一般情況下，殘余應力兩方向的分量值在試板焊縫中心達到最大，但是對于雙層焊來說，背面焊縫中心的殘余應力略小于焊縫外側邊緣。

（5）在相同的測試位置，單層焊殘余應力一般小于雙層焊。

2.2 FSW試板的殘余應力檢測

FSW焊工藝的殘余應力分布情況如圖3所示。

圖3 FSW焊殘余應力垂直焊縫方向的分布情況

攪拌摩擦焊在焊縫區(qū)焊接殘余應力較大，與焊縫平行的方向達到250 MPa或以上，垂直焊縫的方向也達約200 MPa；隨與焊縫中心的距離增大，焊接殘余應力陡然降低，試板背面的焊縫及熱影響區(qū)的焊接殘余應力為拉應力，分布情況比較平穩(wěn)，但絕對值仍很大，焊接方向約180 MPa，垂直焊接方向也均超過了100 MPa。

對FSW焊試板殘余應力狀態(tài)可以概括為：

（1）焊接方向殘余應力，在焊縫中間為拉伸狀態(tài)，焊縫內側邊緣呈壓縮狀態(tài)，焊縫外又呈弱拉伸狀態(tài)；在垂直焊接方向上，變化梯度較大。

（2）與焊縫垂直方向的殘余應力，在焊縫中間均為拉伸狀態(tài)殘余應力，在焊縫外側邊緣呈壓縮殘余應力，遠離焊縫時呈拉伸殘余應力并逐漸減小。在焊縫中間垂直焊接方向上，變化梯度較大，在焊縫外側變化梯度較小。

3 法蘭焊接接頭的殘余應力檢測

3.1 法蘭TIG焊縫的殘余應力

法蘭采用變極性TIG工藝完成。經測量，法蘭焊縫中心殘余應力較高，達到（222，152）MPa，而距焊縫邊緣10 mm處的檢測點呈現(xiàn)壓應力狀態(tài)，為（-55，-132）MPa；測量位置及結果如圖4所示（圖中括號內第1個坐標為焊接方向殘余應力，第2個坐標為垂直焊縫方向的殘余應力，下同）。

圖4 TIG焊法蘭殘余應力的檢測

3.2 法蘭FSW焊縫的殘余應力

采用FSW工藝,法蘭焊縫內側呈拉應力狀態(tài)，焊縫及焊縫外側均呈壓應力狀態(tài)，在焊縫的首尾接頭位置的壓應力略有提高，測量點位置及數(shù)值如圖5所示。

圖5 FSW法蘭殘余應力的檢測

對凸面構件法蘭連接焊縫的檢測中會出現(xiàn)與平板對接不同的殘余應力狀態(tài)與分布。從以往的檢測和數(shù)值計算結果來看，構件凹面的焊縫位置會呈現(xiàn)較大的拉應力狀態(tài)，這需要在下一步試驗中驗證。

3.3 FSW焊T型接頭的殘余應力

對FSW焊的曲面焊縫T型接頭位置，測量了殘余應力分布的情況，其結果如圖6所示。在T型接頭的縱縫中心區(qū)域，殘余應力均為壓應力狀態(tài)，且數(shù)值較大。最大值出現(xiàn)在T型接頭角分線10 mm處，最大值達到（-191，-135）MPa。該現(xiàn)象與FSW試板的殘余應力狀態(tài)不同，說明結構件曲面形狀能影響焊接殘余應力。

圖6 FSW曲面T型接頭的殘余應力的檢測

除此之外，在該FSW曲面環(huán)縫收尾接頭的中心測得焊接殘余應力為（-100，-36）MPa。

4 結論

（1）無論是TIG焊還是FSW試板，焊接殘余應力分布情況可概括為：在焊接方向焊縫位置的殘余應力呈拉應力狀態(tài)，且與焊縫距離越遠，殘余應力絕對值減?。淮怪焙附臃较驓堄鄳Γ簭暮缚p中心到遠離焊縫，焊接殘余應力先大后減小，在緊貼焊縫邊緣處呈較小的壓縮殘余應力，在遠離焊縫處焊接殘余應力絕對值減小趨近于零。

（2）法蘭焊縫殘余應力與試板焊縫殘余應力的分布有明顯不同，焊縫兩側應力分布不對稱，從焊縫中間到靠近法蘭一側的區(qū)域呈拉伸殘余應力，且數(shù)值較大，超過200 MPa，而另一側則呈壓縮殘余應力，數(shù)值相對較小。

采用壓痕法檢測鋁合金焊接構件的殘余應力具有較好的可行性和重復性，能夠獲得高強鋁合金材料焊接殘余應力狀態(tài)的特點。其優(yōu)點在于操作簡便，測量效率大幅提高。

[1]宋天民.焊接殘余應力的產生與消除[M].北京：中國石化出版社：2004.

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第3卷）焊接結構[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[3]蔣剛，譚明華，王偉明，等，殘余應力測量方法的研究現(xiàn)狀[J].機床與液壓，2007，35（6）：213-220.

[4]何家文，徐可為，李家寶.殘余應力研究情況[J].國際學術動態(tài)，1998（4）：75-76.

[5]全國海洋船標準化技術委員會船用材料應用工藝分技術委員會.CB3395-92殘余應力測試方法鉆孔應變釋放法[S].北京：中國標準出版社，1992.

[6]林麗華，陳立功，顧明元.球面壓痕測殘余應力試驗方法研究[J].機械強度，1998，20（4）：303-316.

[7]中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.GB/T-24179-2009金屬材料殘余應力測定壓痕應變法[S].北京：中國標準出版社，2009.

[8]王慶明，孫淵.殘余應力測試技術的進展與動向[J].機電工程，2011，28（1）：11-15.

Measurement of high strength aluminum alloy welding residual stress

HU Qiushi1，SONG Yonglun1，HUANG Jujin1，2
（1.Department of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.China Aerospace Science and Technology Corporation Chang Zheng Factory，Chengdu 610100，China）

The indentation strain-gage method is a kind of almost nondestructive examination of residual stress.This method is used to examine the TIG and FSW welding joint residual stress of 2219-T87 aluminum alloy.And the residual stress of TIG and FSW joints of flange are also examined.Among all the residual stress determination methods，the indentation strain-gage method is proved to be a promising method in engineering field.

2219 aluminum alloy；welding；residential stress；measurement；indentation strain-gage method

TG407

B

1001-2303（2015）08-0007-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.02

2015-04-21；

2015-05-10

胡秋實（1989—），男，北京人，碩士，主要從事鋁合金焊接技術及其殘余應力的測量與分析方面的研究工作。