胡秋實(shí)，宋永倫，黃舉近，2

（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124；2.中國航天科技集團(tuán)公司長征機(jī)械廠，四川成都610100）

高強(qiáng)鋁合金焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量

胡秋實(shí)1，宋永倫1，黃舉近1，2

（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124；2.中國航天科技集團(tuán)公司長征機(jī)械廠，四川成都610100）

殘余應(yīng)力的“壓痕法”檢測(cè)是一種“近無損傷”的新技術(shù)，采用這種方法分別對(duì)2219-T87的TIG熔焊和攪拌摩擦焊試板接頭區(qū)的殘余應(yīng)力進(jìn)行了檢測(cè)，并進(jìn)一步觀測(cè)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(yīng)力狀態(tài)。通過分析與對(duì)比，驗(yàn)證了這一檢測(cè)方法具有較好的工程應(yīng)用前景。

2219鋁合金；焊接；殘余應(yīng)力；檢測(cè)；壓痕法

0 前言

在焊接結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力[1]。其中，焊接殘余應(yīng)力專指焊后殘留在焊接構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力，當(dāng)具有殘余應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)承受外載作用時(shí)，構(gòu)件的實(shí)際承受應(yīng)力為殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力的代數(shù)和；殘余拉應(yīng)力會(huì)降低接頭的疲勞強(qiáng)度，在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下會(huì)促進(jìn)一些材料的應(yīng)力腐蝕開裂[2]。因此，實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)、分析與評(píng)估，對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)與制造工藝的設(shè)計(jì)、控制焊接殘余應(yīng)力的分布，改善構(gòu)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(yīng)力的分類[4]可知，第一類殘余應(yīng)力是宏觀殘余應(yīng)力。它在材料較大范圍或許多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡，在多個(gè)連續(xù)晶體范圍內(nèi)保持常數(shù)，當(dāng)?shù)谝活悮堄鄳?yīng)力所產(chǎn)生的力或力矩的平衡狀態(tài)遭到破壞，將導(dǎo)致構(gòu)件宏觀尺寸的變化。因此，宏觀殘余應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)件焊后變形關(guān)系最大。第二類殘余應(yīng)力是微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力。它存在于晶粒尺度內(nèi)并保持平衡，在一個(gè)或幾個(gè)晶粒的部分范圍內(nèi)保持均勻。當(dāng)?shù)诙悮堄鄳?yīng)力平衡狀態(tài)出現(xiàn)改變，也會(huì)造成宏觀尺寸變化。第三類殘余應(yīng)力是晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力。它是在晶粒若干個(gè)原子范圍內(nèi)存在并在晶粒一小部分內(nèi)保持平衡，在晶體亞結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)大小不均勻，其應(yīng)力狀態(tài)的變化不會(huì)引起構(gòu)件宏觀尺寸變化。通過分析以晶粒為尺度描述內(nèi)應(yīng)力對(duì)材料局域的影響可知，焊接構(gòu)件內(nèi)某一位置的殘余應(yīng)力值是由上述三類殘余應(yīng)力疊加的結(jié)果所決定。在工程實(shí)際結(jié)構(gòu)中，不僅宏、微觀殘余應(yīng)力總是同時(shí)存在，而且與工作載荷所產(chǎn)生的工作應(yīng)力產(chǎn)生相互耦合的作用。因此，為提高工件結(jié)構(gòu)的負(fù)荷、壽命和可靠性，在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝中都必須考慮宏觀殘余應(yīng)力的影響。

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

1 焊接殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法

焊接過程對(duì)構(gòu)件的局部熱輸入，導(dǎo)致焊后殘余應(yīng)力分布復(fù)雜，尤其在接頭區(qū)的應(yīng)力值幅值變化大。在工程應(yīng)用中，經(jīng)典的測(cè)試方法屬盲孔法。其假定物體表面的殘余應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)，在該平面某點(diǎn)上鉆一個(gè)小孔，孔深等于或略大于孔徑，當(dāng)孔深為孔徑的1.2倍時(shí)，鉆孔處的應(yīng)力被近乎完全釋放，孔附近應(yīng)力將重新分布[4]，但其缺點(diǎn)是對(duì)工件存在一定的損傷，對(duì)于薄壁部件或高要求結(jié)構(gòu)來說往往難以實(shí)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(diǎn)，易導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的不確定性，工程實(shí)施的條件與效果較差。

采用壓痕法檢測(cè)殘余應(yīng)力，其原理是盲孔法的延伸[6]，所壓入的球形壓痕產(chǎn)生的材料流變會(huì)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(yīng)變儀測(cè)得由壓痕自身產(chǎn)生的彈塑性區(qū)與殘余應(yīng)力作用下的周圍應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)疊加產(chǎn)生的應(yīng)變變化量（稱為應(yīng)變?cè)隽浚玫綒堄鄳?yīng)變大小，利用胡克定律求出殘余應(yīng)力[7]。在檢測(cè)時(shí)，使用電阻應(yīng)變花作為測(cè)量敏感元件，并在事先對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行標(biāo)定得到材料彈性應(yīng)變與應(yīng)變?cè)隽恐g的關(guān)系。

“壓痕法”的優(yōu)點(diǎn)在于其已達(dá)到微損或基本無損的檢測(cè)級(jí)別[8]，這一點(diǎn)對(duì)于絕大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力測(cè)量來說，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。如在高強(qiáng)鋁合金LD10熱影響區(qū)測(cè)得壓痕的深度小于0.17 mm，直徑均小于0.2 mm，且其測(cè)試結(jié)果與盲孔法測(cè)試接近可比。除此之外，壓痕法所使用的設(shè)備簡單輕便，適合現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)力測(cè)試儀，應(yīng)變片選用中航電測(cè)儀器股份有限公司生產(chǎn)的BA120-1BA（11）-ZKY型應(yīng)變花，靈敏度系數(shù)為2.05，該系統(tǒng)測(cè)量精度為±20 MPa。

2 焊接試板的殘余應(yīng)力檢測(cè)

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

2.1 TIG焊試板的殘余應(yīng)力檢測(cè)

單面單層TIG平板對(duì)焊工藝的殘余應(yīng)力分布情況如圖1所示。

圖1 單面單層TIG焊殘余應(yīng)力分布情況

單面雙層TIG焊工藝的殘余應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 單面雙層TIG焊殘余應(yīng)力分布情況

由上述TIG焊試板殘余應(yīng)力檢測(cè)圖可知。

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

（2）焊縫正面殘余應(yīng)力大于背面殘余應(yīng)力，但分布趨勢(shì)相似。

（3）焊縫兩側(cè)的應(yīng)力分布基本對(duì)稱。

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

（5）在相同的測(cè)試位置，單層焊殘余應(yīng)力一般小于雙層焊。

2.2 FSW試板的殘余應(yīng)力檢測(cè)

FSW焊工藝的殘余應(yīng)力分布情況如圖3所示。

圖3 FSW焊殘余應(yīng)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(yīng)力較大，與焊縫平行的方向達(dá)到250 MPa或以上，垂直焊縫的方向也達(dá)約200 MPa；隨與焊縫中心的距離增大，焊接殘余應(yīng)力陡然降低，試板背面的焊縫及熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，分布情況比較平穩(wěn)，但絕對(duì)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(duì)FSW焊試板殘余應(yīng)力狀態(tài)可以概括為：

（1）焊接方向殘余應(yīng)力，在焊縫中間為拉伸狀態(tài)，焊縫內(nèi)側(cè)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(yīng)力，在焊縫中間均為拉伸狀態(tài)殘余應(yīng)力，在焊縫外側(cè)邊緣呈壓縮殘余應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫時(shí)呈拉伸殘余應(yīng)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(cè)變化梯度較小。

3 法蘭焊接接頭的殘余應(yīng)力檢測(cè)

3.1 法蘭TIG焊縫的殘余應(yīng)力

法蘭采用變極性TIG工藝完成。經(jīng)測(cè)量，法蘭焊縫中心殘余應(yīng)力較高，達(dá)到（222，152）MPa，而距焊縫邊緣10 mm處的檢測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，為（-55，-132）MPa；測(cè)量位置及結(jié)果如圖4所示（圖中括號(hào)內(nèi)第1個(gè)坐標(biāo)為焊接方向殘余應(yīng)力，第2個(gè)坐標(biāo)為垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力，下同）。

圖4 TIG焊法蘭殘余應(yīng)力的檢測(cè)

3.2 法蘭FSW焊縫的殘余應(yīng)力

采用FSW工藝,法蘭焊縫內(nèi)側(cè)呈拉應(yīng)力狀態(tài)，焊縫及焊縫外側(cè)均呈壓應(yīng)力狀態(tài)，在焊縫的首尾接頭位置的壓應(yīng)力略有提高，測(cè)量點(diǎn)位置及數(shù)值如圖5所示。

圖5 FSW法蘭殘余應(yīng)力的檢測(cè)

對(duì)凸面構(gòu)件法蘭連接焊縫的檢測(cè)中會(huì)出現(xiàn)與平板對(duì)接不同的殘余應(yīng)力狀態(tài)與分布。從以往的檢測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果來看，構(gòu)件凹面的焊縫位置會(huì)呈現(xiàn)較大的拉應(yīng)力狀態(tài)，這需要在下一步試驗(yàn)中驗(yàn)證。

3.3 FSW焊T型接頭的殘余應(yīng)力

對(duì)FSW焊的曲面焊縫T型接頭位置，測(cè)量了殘余應(yīng)力分布的情況，其結(jié)果如圖6所示。在T型接頭的縱縫中心區(qū)域，殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)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(dá)到（-191，-135）MPa。該現(xiàn)象與FSW試板的殘余應(yīng)力狀態(tài)不同，說明結(jié)構(gòu)件曲面形狀能影響焊接殘余應(yīng)力。

圖6 FSW曲面T型接頭的殘余應(yīng)力的檢測(cè)

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

4 結(jié)論

（1）無論是TIG焊還是FSW試板，焊接殘余應(yīng)力分布情況可概括為：在焊接方向焊縫位置的殘余應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，且與焊縫距離越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力絕對(duì)值減??；垂直焊接方向殘余應(yīng)力：從焊縫中心到遠(yuǎn)離焊縫，焊接殘余應(yīng)力先大后減小，在緊貼焊縫邊緣處呈較小的壓縮殘余應(yīng)力，在遠(yuǎn)離焊縫處焊接殘余應(yīng)力絕對(duì)值減小趨近于零。

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

采用壓痕法檢測(cè)鋁合金焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力具有較好的可行性和重復(fù)性，能夠獲得高強(qiáng)鋁合金材料焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)在于操作簡便，測(cè)量效率大幅提高。

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

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第3卷）焊接結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

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

[4]何家文，徐可為，李家寶.殘余應(yīng)力研究情況[J].國際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，1998（4）：75-76.

[5]全國海洋船標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)船用材料應(yīng)用工藝分技術(shù)委員會(huì).CB3395-92殘余應(yīng)力測(cè)試方法鉆孔應(yīng)變釋放法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[6]林麗華，陳立功，顧明元.球面壓痕測(cè)殘余應(yīng)力試驗(yàn)方法研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，1998，20（4）：303-316.

[7]中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì).GB/T-24179-2009金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定壓痕應(yīng)變法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8]王慶明，孫淵.殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的進(jìn)展與動(dòng)向[J].機(jī)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(shí)（1989—），男，北京人，碩士，主要從事鋁合金焊接技術(shù)及其殘余應(yīng)力的測(cè)量與分析方面的研究工作。