5083鋁合金T型接頭焊接殘余應(yīng)力分布及超聲沖擊處理工藝研究

劉曉莉,馮梓寧,于華寬,高 飛

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司, 廣州 510715) (2.江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鎮(zhèn)江 212100)

鋁合金T型接頭廣泛應(yīng)用于各種交通工具及輕量化結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域,尤其是在船舶領(lǐng)域,T型接頭焊接結(jié)構(gòu)件大量應(yīng)用于制造和修造的各個(gè)工序,就制造而言,從零部件的裝焊到分段的裝配,甚至總段的合攏都有大量T型接頭存在[1]．T型接頭可以有效提高壁板穩(wěn)定性,是比厚板對接焊還要復(fù)雜的焊接構(gòu)件．在實(shí)際工程應(yīng)用中對T型接頭的焊接質(zhì)量要求非常高,特別是對薄板復(fù)雜構(gòu)件,焊接質(zhì)量好壞不僅影響經(jīng)濟(jì)效益而且有時(shí)直接關(guān)系到生命安全．應(yīng)力集中,焊接缺陷和殘余應(yīng)力等對T型接頭的性能有著較大的影響,如較大的殘余拉應(yīng)力會使船體T型焊接構(gòu)件的強(qiáng)度和韌性下降,導(dǎo)致焊接部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂,并且鋁合金T型接頭焊接殘余應(yīng)力伴隨的變形還不利于船舶制造精度的控制,從而最終影響到船舶的建造質(zhì)量[2-3]．超聲沖擊處理(ultrasionic impact treatment，UIT)是目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的焊后處理、表面局部強(qiáng)化和消除殘余應(yīng)力的工藝方法[4-7]．但是采用不同的超聲沖擊工藝參數(shù)所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)不同,從而影響接頭性能的改善程度．如果沖擊工藝選擇錯(cuò)誤反而會削弱焊接接頭的性能[8]．因此,研究鋁合金T型焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律及調(diào)控對提高焊接構(gòu)件的強(qiáng)度和安全性能具有重要的工程和理論意義．文中主要研究了不同的超聲沖擊區(qū)域和沖擊強(qiáng)度對5083鋁合金T型焊接接頭殘余應(yīng)力的影響．

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和焊接方法

試驗(yàn)所用母材為5083 H116鋁合金,規(guī)格為400 mm×200 mm×8 mm．母材和焊材的化學(xué)成分如表1．焊接方法為在約束條件下采用TIG雙面焊接,焊接電流為125～135 A．

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分

1.2 殘余應(yīng)力測試

采用iXRD應(yīng)力測試儀(加拿大Proto-epco)測試殘余應(yīng)力,如圖1(a)．在殘余應(yīng)力測試前,采用XRD設(shè)備自帶的電解拋光設(shè)備對測試表面進(jìn)行拋光處理,如圖1(b),iXRD測試5083鋁合金參數(shù)如表2．

圖1 XRD應(yīng)力測試儀及電解拋光設(shè)備

表2 X射線衍射儀測試參數(shù)

1.3 超聲沖擊工藝

試驗(yàn)使用的超聲沖擊設(shè)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半球面),如圖2．8 mm T型接頭超聲沖擊工藝為:使用4針平頭沖擊針對焊接接頭進(jìn)行全覆蓋沖擊,沖擊強(qiáng)度分別為1.0、2.0、4.0和6.0 s/cm2,圖3為超聲沖擊位置示意圖．

圖2 超聲沖擊針頭示意

圖3 超聲沖擊位置

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 4 mm和8 mm T型接頭焊接殘余應(yīng)力分布

由于T型接頭存在腹板,iXRD應(yīng)力測試儀在測試橫向殘余應(yīng)力時(shí),測試靶頭擺動(dòng)受到限制,因此X 射線衍射法只能測試焊接區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力．選擇T型接頭底板A-B路徑、腹板A-C路徑和底板上平行于焊縫的A-D路徑測試殘余應(yīng)力,試驗(yàn)得到的4 mm和8 mm T型接頭的縱向殘余應(yīng)力分布如圖4．圖4(a)表明T型接頭底板上的縱向殘余應(yīng)力在近縫區(qū)均為較大的拉應(yīng)力,隨著遠(yuǎn)離焊趾,縱向殘余應(yīng)力快速減小,直到轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力后,殘余應(yīng)力趨于平穩(wěn);4 mm和8 mm T型接頭底板焊趾上測得的殘余應(yīng)力分別為110 MPa和178 MPa,兩者相差68 MPa;4 mm和8 mm T型接頭的殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距焊趾6 mm處,分別為140 MPa和184 MPa;在距焊趾超過10 mm后,兩者的殘余應(yīng)力均為較小的壓應(yīng)力．從圖4(b)可以看出,腹板上熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力達(dá)到最大值,隨后殘余應(yīng)力逐漸減小,最后趨于無應(yīng)力狀態(tài);4 mm T型接頭焊趾附近的殘余應(yīng)力仍小于8 mm T型接頭．圖4(c)表明,平行于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力在焊縫端點(diǎn)處為較小的壓應(yīng)力狀態(tài),隨著遠(yuǎn)離端點(diǎn),殘余應(yīng)力逐漸增大,4 mm和8 mm T型接頭在焊縫中間(A位置)附近達(dá)到最大值,分別為145 MPa和172 MPa．

綜上所述,T型接頭底板和腹板上的縱向殘余應(yīng)力在近縫區(qū)均為較大的拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊趾區(qū)為殘余壓應(yīng)力;平行于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力分布為中間為較大的拉應(yīng)力,兩端為壓應(yīng)力;4 mm T型接頭近縫區(qū)的殘余應(yīng)力小于8 mm T型接頭．

圖4 T型接頭縱向殘余應(yīng)力分布

2.2 超聲沖擊強(qiáng)度對8 mm T型接頭焊接殘余應(yīng)力的影響

試驗(yàn)采用2針圓頭沖擊針,在8 mm T型接頭焊縫上選取4塊1.0 cm×5.0 cm的區(qū)域進(jìn)行沖擊處理,沖擊強(qiáng)度分別為1.0、2.0、4.0和6.0 s/cm2,每個(gè)區(qū)域沖擊后在平行焊趾方向拋光4個(gè)測試點(diǎn),取4個(gè)應(yīng)力值的平均數(shù)作為焊趾處的殘余應(yīng)力值;在垂直焊縫方向拋光4個(gè)測試點(diǎn),分別用XRD測各點(diǎn)處的殘余應(yīng)力．應(yīng)力測試點(diǎn)位置、不同沖擊強(qiáng)度后的形貌和殘余應(yīng)力分布如圖5．

從圖5(a)可以看出,焊縫經(jīng)過1.0 s/cm2沖擊強(qiáng)度處理后,沖擊產(chǎn)生的麻坑明顯沒有完全覆蓋焊縫及焊趾,焊趾上的殘余應(yīng)力(如路徑1)由110 MPa的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為較小的應(yīng)力,少數(shù)位置產(chǎn)生124 MPa的壓應(yīng)力．焊趾上的殘余應(yīng)力平均值為-40 MPa,和超聲沖擊前的焊趾相比,應(yīng)力下降約150 MPa．在垂直焊縫方向(如路徑2),隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域,超聲沖擊的影響減小,當(dāng)距離超過焊趾5 mm后,殘余應(yīng)力不受沖擊影響．當(dāng)超聲沖擊強(qiáng)度為2.0 s/cm2時(shí),沖擊產(chǎn)生的覆蓋率仍然沒有達(dá)到100%,此時(shí)焊趾上超聲沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力基本達(dá)到90 MPa以上,極少數(shù)仍為較小的壓應(yīng)力．當(dāng)超聲沖擊強(qiáng)度增加到4.0 s/cm2時(shí),沖擊產(chǎn)生的麻坑完全覆蓋焊縫和焊趾,焊趾上的壓應(yīng)力全部在150±15 MPa,十分均勻,此時(shí)超聲沖擊處理效果達(dá)到理想狀態(tài)．隨著沖擊強(qiáng)度的進(jìn)一步增加,焊趾上產(chǎn)生的壓應(yīng)力進(jìn)一步增大,最大值達(dá)到212 MPa,平均值達(dá)到173 MPa．

圖5 不同沖擊強(qiáng)度對T型接頭底板殘余應(yīng)力的影響

由圖5(e)可以看出,當(dāng)沖擊強(qiáng)度超過4 s/cm2后,超聲沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力增大速度減緩,產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是:超聲沖擊針以高頻振動(dòng)不斷地撞擊被處理材料表面,導(dǎo)致材料表層位錯(cuò)滑移,位錯(cuò)滑移一方面使晶體產(chǎn)生塑性變形,造成殘余拉應(yīng)力峰值下降,從而改變了工件原有的內(nèi)應(yīng)力場,在較低的應(yīng)力水平下達(dá)到平衡;另一方面產(chǎn)生位錯(cuò)增殖及亞結(jié)構(gòu)的變化,使金屬發(fā)生強(qiáng)烈的加工硬化,強(qiáng)度大大提高,因而提高工件抗變形能力,所以當(dāng)繼續(xù)增加沖擊強(qiáng)度時(shí),產(chǎn)生的壓應(yīng)力不再繼續(xù)增加[9]．

綜上所述,考慮超聲沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和實(shí)際工程應(yīng)用,沖擊強(qiáng)度為4 s/cm2時(shí),既可以使覆蓋率達(dá)到100%,產(chǎn)生均勻的壓應(yīng)力,還可以減少沖擊時(shí)間,提高生產(chǎn)效率．

2.3 超聲沖擊對4 mm T型焊接殘余應(yīng)力的影響

試驗(yàn)選擇4 mm T型接頭,采用4.0 s/cm2的沖擊強(qiáng)度對腹板兩側(cè)角焊縫及焊趾進(jìn)行沖擊,沖擊后選擇底板一側(cè)平行于焊趾上的4個(gè)測試點(diǎn)、垂直焊縫方向的4個(gè)測試點(diǎn)和底板背面的13個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(圖6)．

圖6 4 mm T型接頭超聲沖擊處理區(qū)域及應(yīng)力測試點(diǎn)示意圖

對4 mm T型接頭的焊縫進(jìn)行沖擊處理后,底板上殘余應(yīng)力分布如圖7,從圖7(a)可以看出,經(jīng)過沖擊處理后,焊趾上的殘余應(yīng)力由原來的109 MPa的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力,并且焊趾上的壓應(yīng)力穩(wěn)定在125 MPa,在距焊趾5～10 mm處的殘余應(yīng)力也由較高拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的拉應(yīng)力．圖7(b)表明,在超聲沖擊處理前,底板背面的縱向殘余應(yīng)力整體上呈“幾”型分布,橫向殘余應(yīng)力整體穩(wěn)定在40 MPa左右．超聲沖擊處理焊縫和焊趾后,沒有被沖擊處理的底板背面的殘余應(yīng)力也受到影響,殘余應(yīng)力整體上呈“M”型分布．底板背面對應(yīng)焊縫位置(-5～5 mm)的焊態(tài)縱向殘余應(yīng)力平均值達(dá)到163 MPa,受超聲沖擊的影響后,平均應(yīng)力降低到58 MPa;橫向殘余應(yīng)力的平均應(yīng)力由焊態(tài)的53 MPa降低到-80 MPa．

圖7 超聲沖擊處理對4 mmT型接頭殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)論

(1) T型接頭底板上的縱向殘余應(yīng)力在近縫區(qū)均為較大的拉應(yīng)力,4和8 mm T型接頭底板焊趾上測得的殘余應(yīng)力分別為110和178 MPa,兩者的殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距焊趾6 mm處,分別為140和184 MPa,在距焊趾超過10 mm后,兩者的殘余應(yīng)力均為較小的壓應(yīng)力;腹板上熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力達(dá)到最大值,隨后殘余應(yīng)力逐漸減小,最后趨于無應(yīng)力狀態(tài);平行于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力在焊縫端點(diǎn)處為較小的壓應(yīng)力狀態(tài),隨著遠(yuǎn)離端點(diǎn),殘余應(yīng)力逐漸增大;4 mm T型接頭近縫區(qū)的殘余應(yīng)力小于8 mm T型接頭．

(2) 8 mm T型接頭焊縫經(jīng)過1.0 s/cm2沖擊強(qiáng)度處理后,沖擊產(chǎn)生的麻坑明顯沒有完全覆蓋焊縫及焊趾,焊趾上的殘余應(yīng)力由110 MPa的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為較小的應(yīng)力,少數(shù)位置產(chǎn)生124 MPa的壓應(yīng)力;在垂直焊縫方向,隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域,超聲沖擊的影響減小,當(dāng)距離超過焊趾5 mm后,殘余應(yīng)力不受沖擊影響．隨著沖擊強(qiáng)度的增加,沖擊產(chǎn)生的覆蓋率增大,焊趾上超聲沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力也隨之增大,當(dāng)超聲沖擊強(qiáng)度增加到4.0 s/cm2時(shí),沖擊產(chǎn)生的麻坑完全覆蓋焊縫和焊趾,焊趾上的壓應(yīng)力全部在150±15 MPa,十分均勻,此時(shí)超聲沖擊處理效果達(dá)到理想狀態(tài)．隨著沖擊強(qiáng)度的進(jìn)一步增加,焊趾上產(chǎn)生的壓應(yīng)力進(jìn)一步增大,最大值達(dá)到212 MPa,當(dāng)沖擊強(qiáng)度超過4 s/cm2后,超聲沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力增大速度減緩．

(3) 4 mm T型接頭焊縫經(jīng)過沖擊處理后,焊趾上的殘余應(yīng)力由原來的109 MPa的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力,并且焊趾上的壓應(yīng)力穩(wěn)定在125 MPa,在距焊趾5～10 mm處的殘余應(yīng)力也由較高拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的拉應(yīng)力;在超聲沖擊處理前,底板背面的縱向殘余應(yīng)力整體上呈“幾”型分布,對應(yīng)焊縫位置(-5～5 mm)的焊態(tài)縱向殘余應(yīng)力平均值達(dá)到163 MPa,橫向殘余應(yīng)力整體穩(wěn)定在40 MPa左右,超聲沖擊處理焊縫和焊趾后,沒有被沖擊處理的底板背面的殘余應(yīng)力也受到影響,殘余應(yīng)力整體上呈“M”型分布,縱向殘余應(yīng)力的平均應(yīng)力值降低到58 MPa,橫向殘余應(yīng)力的平均應(yīng)力值降低到-80 MPa．