邵光學(xué)，柯 楊，岑升波

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

疲勞加載下A7N01鋁合金焊接殘余應(yīng)力演變研究

邵光學(xué)1，柯 楊2，岑升波2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

采用超聲法研究A7N01鋁合金焊接接頭的殘余應(yīng)力分布及其在疲勞加載過程中的變化。A7N01鋁合金焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊縫區(qū)域，且為拉應(yīng)力，母材區(qū)的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。在低應(yīng)力水平下，焊接接頭焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力值先增大后減小，應(yīng)力的釋放率與外加應(yīng)力以及自身殘余應(yīng)力水平有關(guān)。外加載荷越大，焊接接頭的殘余應(yīng)力釋放越多，焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力峰值降低，但100 MPa以下的應(yīng)力不能釋放母材區(qū)的殘余應(yīng)力。

A7N01鋁合金；焊接接頭；殘余應(yīng)力；疲勞加載

0 前言

焊接過程中出現(xiàn)殘余應(yīng)力無法避免，焊接后調(diào)修的不同工藝也會(huì)造成殘余應(yīng)力大小和分布的不同，而很多疲勞現(xiàn)象都與殘余應(yīng)力有關(guān)[1-3]，例如疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展、少數(shù)極高應(yīng)力、平均應(yīng)力、加載次序、裂紋遲滯效應(yīng)、缺口應(yīng)力集中等。承受疲勞載荷的零件，若存在壓縮殘余應(yīng)力，會(huì)提高零件的疲勞強(qiáng)度，若存在拉伸殘余應(yīng)力，則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。殘余應(yīng)力是影響疲勞的一個(gè)重要因素，外部載荷和內(nèi)部殘余應(yīng)力的雙重作用通常導(dǎo)致焊縫區(qū)和近縫區(qū)產(chǎn)生裂紋[4-6]。研究和實(shí)踐表明，焊接接頭的疲勞破壞一般起裂于焊接接頭的焊趾部位（即母材與焊縫的過渡處）[7-9]。在循環(huán)載荷作用下，零件上的殘余應(yīng)力大小和分布會(huì)發(fā)生顯著變化。因此，研究殘余應(yīng)力的大小和分布以及殘余應(yīng)力與疲勞之間的關(guān)系對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度具有重要意義。

本研究旨在考察A7N01鋁合金焊接接頭在循環(huán)疲勞加載下，試驗(yàn)循環(huán)不同周次下的殘余應(yīng)力變化，從而獲得殘余應(yīng)力在不同循環(huán)周次下的演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為A7N01S-T5的MIG焊（熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊）焊接試板加工為疲勞試件，試件尺寸如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)件的尺寸

采用超聲波殘余應(yīng)力儀（HT1000）測(cè)試焊接接頭疲勞試樣的殘余應(yīng)力，測(cè)試位置如圖2所示，自焊縫中心起共布置9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其中1～7號(hào)測(cè)點(diǎn)間距5 mm，7～9號(hào)測(cè)點(diǎn)間距10 mm。

圖2 焊接接頭疲勞試樣殘余應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)

試樣在低頻液壓脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上（型號(hào)PWS-100）進(jìn)行疲勞加載，應(yīng)力比R=0，加載載荷分別為35MPa、80MPa和100MPa，加載力按正弦曲線變化。在試驗(yàn)循環(huán) 0、1、103、104、105、106等周次時(shí)，在 9個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)試殘余應(yīng)力。

2 循環(huán)載荷下焊接接頭殘余應(yīng)力演變規(guī)律

2.1 加載35 MPa下焊接接頭殘余應(yīng)力變化

35 MPa循環(huán)應(yīng)力下焊接接頭殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線以及各測(cè)試點(diǎn)殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖3所示。

圖3 加載應(yīng)力35 MPa下焊接接頭殘余應(yīng)力

焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力最大，且為拉應(yīng)力，峰值82.29 MPa出現(xiàn)在焊縫中心。隨著與焊縫中心距離的增加，殘余應(yīng)力減小，在母材區(qū)為負(fù)值壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力的分布符合一般焊接接頭的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)。經(jīng)過1次循環(huán)作用，試樣的殘余應(yīng)力分布發(fā)生了一定的變化，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的殘余應(yīng)力峰值不同程度增大。經(jīng)過2 200次循環(huán)作用后，焊縫區(qū)和距焊縫區(qū)5mm、10mm和15mm處，呈拉應(yīng)力且峰值繼續(xù)增大，而遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)25 mm、30 mm、40 mm和50 mm處，呈壓應(yīng)力且峰值減小向0點(diǎn)靠近。經(jīng)過10000次循環(huán)作用，焊縫區(qū)和靠近焊縫區(qū)的5mm、10 mm和15 mm處，各點(diǎn)殘余拉應(yīng)力峰值減小，向0靠近，距焊縫較遠(yuǎn)的母材區(qū)25 mm、30 mm、40 mm和50 mm處，壓應(yīng)力峰值較2 200次循環(huán)下有所增大。經(jīng)過105次循環(huán)作用，試樣的殘余應(yīng)力分布變化與104次循環(huán)作用后的分布變化相反，焊縫區(qū)和靠近焊縫區(qū)的峰值小幅增大，但是均未超過最大值，母材區(qū)峰值再次減小向0點(diǎn)靠近。經(jīng)過106次循環(huán)后，試樣殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)為焊縫區(qū)和近焊縫區(qū)殘余應(yīng)力峰值減小，母材區(qū)殘余應(yīng)力峰值增大，壓應(yīng)力較大。107次循環(huán)后比106次循環(huán)后的殘余應(yīng)力分布更靠近0點(diǎn)，峰值較疲勞加載前有較大幅度的降低（最大降低45 MPa，殘余應(yīng)力釋放率83%），分布更加均勻，而母材峰值增大，壓應(yīng)力增大。在疲勞中，壓應(yīng)力能抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，有利于延長(zhǎng)試樣的疲勞壽命。

2.2 加載80 MPa下焊接接頭殘余應(yīng)力變化

80 MPa循環(huán)應(yīng)力下焊接接頭殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線以及各測(cè)試點(diǎn)殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖4所示。

圖4 加載應(yīng)力80 MPa下焊接接頭殘余應(yīng)力

焊縫區(qū)（0 mm、5 mm、10 mm 處）為拉應(yīng)力，峰值出現(xiàn)在熔合線和焊縫中心之間（5 mm處），未加載應(yīng)力前的最大峰值為71.97 MPa。母材區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。經(jīng)過1次循環(huán)作用后，焊縫區(qū)0 mm、5 mm和10 mm處峰值降低，向0靠近；母材區(qū)40 mm處殘余壓應(yīng)力峰值減小，而其他測(cè)點(diǎn)的峰值增大，壓應(yīng)力增加。經(jīng)過2 200次循環(huán)后，試樣的殘余應(yīng)力值都向負(fù)值偏移，焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力仍為拉應(yīng)力，但峰值下降。母材區(qū)的殘余應(yīng)力仍為壓應(yīng)力，但峰值增加。經(jīng)過104次循環(huán)后，焊縫區(qū)域各點(diǎn)拉應(yīng)力峰值增大，母材區(qū)域壓應(yīng)力峰值減小。經(jīng)過105和106次循環(huán)后，試樣的殘余應(yīng)力分布相對(duì)于104次循環(huán)下的變化不大，各點(diǎn)的殘余應(yīng)力都比較穩(wěn)定，應(yīng)力沒有再釋放。整體上看，經(jīng)過2 200次循環(huán)焊縫區(qū)應(yīng)力得到釋放，而母材區(qū)沒有得到釋放，104次循環(huán)后，試樣的殘余應(yīng)力沒有再得到釋放。

2.3 加載100 MPa下焊接接頭殘余應(yīng)力變化

100 MPa循環(huán)應(yīng)力下焊接接頭殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線以及各測(cè)試點(diǎn)殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖5所示。

焊縫區(qū)域（0 mm、5 mm、10 mm處）為拉應(yīng)力，峰值出現(xiàn)在熔合線和焊縫中心之間（5 mm處），在未加載應(yīng)力之前最大峰值為106.17 MPa，母材區(qū)為壓應(yīng)力。經(jīng)過1次循環(huán)作用后，焊縫區(qū)（0 mm、5 mm、10 mm）為拉應(yīng)力，峰值小范圍增大。母材區(qū)各點(diǎn)波動(dòng)范圍也不大，其中20 mm、25 mm處殘余應(yīng)力幾乎沒有變化，而30 mm、40 mm和50 mm處殘余應(yīng)力的壓應(yīng)力峰值增大。經(jīng)過2 200次循環(huán)作用后，焊縫區(qū)和母材區(qū)各點(diǎn)殘余應(yīng)力值都比較穩(wěn)定，幾乎沒有變化，殘余應(yīng)力沒有得到釋放。從104次循環(huán)開始，焊縫的殘余應(yīng)力降低，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力逐步得到釋放，峰值直線下降，焊縫中心殘余應(yīng)力值從106.17MPa下降至34.81MPa，釋放率為67.2%；距離焊縫中心5mm處的殘余應(yīng)力從102.33MPa下降至36.1 MPa，釋放率為64.7%；距離焊縫中心10mm處殘余應(yīng)力從85.42 MPa下降到29.38 MPa，釋放率為65.6%。母材區(qū)的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，與未加載應(yīng)力時(shí)相比，106次循環(huán)后殘余應(yīng)力的峰值變化不大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，壓應(yīng)力緩慢增大，母材各點(diǎn)的殘余應(yīng)力在-40～-20MPa波動(dòng)，母材區(qū)的殘余應(yīng)力在100 MPa作用下，經(jīng)過106次循環(huán)殘余應(yīng)力并未得到釋放，甚至略微增大。

2.4 循環(huán)載荷下焊接接頭殘余應(yīng)力變化

在焊接過程中，焊接熱輸入引起材料不均勻的局部加熱，熔化焊縫區(qū)，而毗鄰熔池的高溫區(qū)材料的熱膨脹受到周圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形，在冷卻過程中，已發(fā)生塑性變形的材料（如長(zhǎng)焊縫的兩側(cè)）又受周圍條件的制約而不能自由收縮，在不同程度上被拉伸，從而形成殘余拉應(yīng)力[10]。同時(shí)熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力,而母材在試樣的自身相平衡內(nèi)應(yīng)力下為壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力從微觀上來說來源于位錯(cuò)造成的晶格畸變而引起的彈性應(yīng)力場(chǎng)，若外加應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加后超過材料的屈服強(qiáng)度，則會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力得到釋放并重新分布，降低殘余應(yīng)力峰值。但由于循環(huán)工作載荷下焊接殘余應(yīng)力的松弛較為復(fù)雜，其松弛條件需要進(jìn)一步確定。

圖5 加載應(yīng)力100 MPa下焊接接頭殘余應(yīng)力

焊接接頭在35 MPa循環(huán)應(yīng)力作用下，不同循環(huán)次數(shù)下試樣的殘余應(yīng)力分布一直在波動(dòng)，殘余應(yīng)力峰值先增大后降低。最終的殘余應(yīng)力與未加載應(yīng)力時(shí)相比，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力得到一定的釋放，峰值降低，平均降低40 MPa。母材區(qū)域始終呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力峰值逐漸增大，最終比未加載時(shí)壓應(yīng)力峰值增加25 MPa。7N01的母材屈服強(qiáng)度為285～300 MPa，熱影響區(qū)的屈服強(qiáng)度約為200MPa，焊縫的屈服強(qiáng)度約為180MPa。在35MPa載荷下，開始外加應(yīng)力與焊縫殘余應(yīng)力相疊加并未超過接頭的屈服強(qiáng)度，焊縫區(qū)域無局部的塑性變形，焊縫殘余應(yīng)力得不到釋放。但是在外加載荷的循環(huán)往復(fù)作用下，位錯(cuò)隨之產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、增殖、塞積和纏結(jié)，因?yàn)橥饧討?yīng)力較小，位錯(cuò)被釘扎而沒有足夠的能力使之開動(dòng)，導(dǎo)致晶格畸變?cè)桨l(fā)嚴(yán)重而引起彈性應(yīng)力場(chǎng)增大，使得焊縫區(qū)域在循環(huán)前期殘余應(yīng)力增大。當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)微區(qū)的屈服強(qiáng)度小于由外加動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致的位錯(cuò)群應(yīng)力場(chǎng)和由殘余應(yīng)力引起的源位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，塞積得以開通，材料產(chǎn)生微觀塑性變形，殘余應(yīng)力得到釋放。而母材區(qū)域的屈服強(qiáng)度很大，且位錯(cuò)釘扎引起循環(huán)硬化效果有限，不足以使母材區(qū)域發(fā)生局部屈服，應(yīng)力未得到釋放，但位錯(cuò)群應(yīng)力場(chǎng)增大而峰值略微上升。

焊接接頭在80 MPa循環(huán)應(yīng)力作用下，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力在1次和2 200次循環(huán)后均明顯下降，應(yīng)力得到釋放，但是104次循環(huán)后，焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力表現(xiàn)為小幅度增長(zhǎng)后保持穩(wěn)定，未繼續(xù)釋放。而母材區(qū)域的殘余應(yīng)力仍為壓應(yīng)力，并且應(yīng)力值變化不大，應(yīng)力未得到釋放。在1次和2200次循環(huán)時(shí)，焊縫區(qū)域焊接殘余應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力之和超過了初始屈服強(qiáng)度，焊縫局部發(fā)生塑性變形，焊接殘余應(yīng)力發(fā)生松弛，應(yīng)力得到釋放。在104次循環(huán)后，殘余應(yīng)力值不再發(fā)生太大變化，這是因?yàn)樵谕饧友h(huán)應(yīng)力下，由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖和纏結(jié)引起的殘余應(yīng)力增大和焊縫區(qū)域位錯(cuò)纏結(jié)的開動(dòng)與局部發(fā)生塑性變形應(yīng)力釋放的效果相抵消，導(dǎo)致焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力在隨后循環(huán)作用下沒有太大變化。而母材區(qū)域的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，與外加應(yīng)力相抵消，不能使母材發(fā)生屈服，因而不能減小其殘余應(yīng)力峰值，反而在位錯(cuò)的增殖纏結(jié)和材料應(yīng)力的自平衡作用下峰值有所增大。

焊接接頭在100MPa循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過1次循環(huán)時(shí)，焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力峰值增大，母材區(qū)域值穩(wěn)定不變。經(jīng)過2 200次循環(huán)后，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力直線下降，熱影響區(qū)殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，母材殘余應(yīng)力仍為壓應(yīng)力且略有增大，試樣整體的殘余應(yīng)力在2 200次循環(huán)后逐步釋放，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力值平均降低40 MPa。100 MPa的循環(huán)應(yīng)力作用下，焊縫區(qū)域焊接殘余應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力之和超過了初始屈服強(qiáng)度，焊縫局部發(fā)生塑性變形，焊接殘余應(yīng)力發(fā)生松弛，應(yīng)力得到釋放，并且由于外加應(yīng)力較大，在隨后的循環(huán)作用下與殘余應(yīng)力相疊加使焊縫區(qū)域局部發(fā)生塑性變形，殘余應(yīng)力不斷釋放。熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力與外加應(yīng)力也超過了該處的屈服強(qiáng)度，使得應(yīng)力得到釋放，而殘余應(yīng)力峰值的下降改變了內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，試樣內(nèi)部應(yīng)力降低并重新分布，導(dǎo)致熱影響區(qū)殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。母材區(qū)域外加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加之和仍未超過其屈服強(qiáng)度，不能使殘余應(yīng)力釋放，殘余應(yīng)力的峰值波動(dòng)不大。

3 結(jié)論

（1）A7N01鋁合金焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊縫區(qū)域，且為拉應(yīng)力，母材區(qū)域的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。

（2）在加載載荷較低應(yīng)力水平下，隨著循環(huán)周次的增加，焊接接頭焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力值先增大后降低，應(yīng)力的釋放率與外加應(yīng)力和自身殘余應(yīng)力水平有關(guān)。

（3）外加載荷越大，焊接接頭的殘余應(yīng)力釋放越多，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力峰值降低，但是100 MPa以下的應(yīng)力不能釋放母材區(qū)域的殘余應(yīng)力。

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Residual stress evolution of welding joint of A7N01 aluminum alloy under fatigue load

SHAO Guangxue1，KE Yang2，CEN Shengbo2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The distribution of residual stress of A7N01 aluminum alloy welding joint and the evolution of residual stress under fatigue load were tested through ultrasound method.The residual stress peak value was located in the welding seam which was tensile stress，and the base metal showed compress residual stress.Under fatigue loading of low level，the residual stress of welding seam increased first and then decreased，the released rate of residual stress was related to the loading stress and the residual stress of the welding seam itself.The greater the load，the more residual stress released，which led to the decrease of residual stress peak value of welding seam.However，the residual stress of base metal could not be released under the 100 MPa fatigue load.

A7N01 aluminum alloy；welding joint；residual stress；fatigue load

TG457.14

A

1001-2303（2017）10-0071-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.15

本文參考文獻(xiàn)引用格式：邵光學(xué)，柯楊，岑升波.疲勞加載下A7N01鋁合金焊接殘余應(yīng)力演變研究[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：71-75.

2017-05-25；

2017-07-19

邵光學(xué)（1977—），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事高速列車鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)工藝及性能研究工作。E-mail：xmwang991011@163.com。