王連慶,胡雅楠,車志剛,吳圣川,*

1.北京科技大學(xué) 新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031

3.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024

4.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 先進(jìn)表面工程技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024

Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)鋁合金具有高比強(qiáng)度、優(yōu)耐蝕性和耐磨性以及時(shí)效強(qiáng)化能力,近年來(lái)在高速地面車輛制造中受到重視。然而,這類鋁合金在熔化焊接過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣孔和熱裂紋等缺陷以及殘余拉伸應(yīng)力,焊縫區(qū)因合金元素蒸發(fā)燒損和晶界偏析而發(fā)生軟化現(xiàn)象(硬度和強(qiáng)度下降),上述因素降低了裂紋的萌生和擴(kuò)展阻力,惡化了焊接結(jié)構(gòu)的服役性能[1-2]。焊后處理是改善焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要環(huán)節(jié),表面強(qiáng)化處理通過(guò)在材料表層引入高密度位錯(cuò)、細(xì)化的晶粒和殘余壓縮應(yīng)力進(jìn)而增強(qiáng)了材料的抗疲勞、抗磨損和抗應(yīng)力腐蝕能力[3]。

與傳統(tǒng)噴丸法相比,激光沖擊強(qiáng)化(Laser Shock Processing,LSP)具有較高的沖擊波幅值和較強(qiáng)的沖擊波穿透性,可誘導(dǎo)數(shù)倍深度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng),表面粗糙度較小,冷作硬化程度較低,工藝參數(shù)和強(qiáng)化區(qū)域可控,能夠靈活地適應(yīng)強(qiáng)化表面(如小孔、拐角和不規(guī)則的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)等),在焊接結(jié)構(gòu)表面改性方面應(yīng)用前景廣闊[4-6]。日本已將無(wú)吸收層的激光沖擊技術(shù)用于原子反應(yīng)堆壓力容器和管道焊縫的維修中[6]。2008年,在西安國(guó)家航空高技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地建成了中國(guó)首條激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線,標(biāo)志著中國(guó)激光沖擊技術(shù)向工程化和產(chǎn)業(yè)化邁出了重要一步。

目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于激光沖擊在焊接結(jié)構(gòu)表面改性方面的研究主要針對(duì)的是鋼材,如X70管線鋼和12Cr2Ni4A不銹鋼等,鋁合金的研究相對(duì)較少。羅密等借助數(shù)值仿真研究了激光沖擊工藝參數(shù)對(duì)7075-T6鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力分布的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后,焊縫表面的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻鶋簯?yīng)力,當(dāng)激光光斑搭接率為50%～70%時(shí),殘余應(yīng)力趨于均勻分布,“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象消失[7]。Liu等研究了激光沖擊對(duì)7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕性能的影響,發(fā)現(xiàn)焊縫表面形成了高密度位錯(cuò)和眾多亞晶粒,顯著提高了焊縫的腐蝕阻力[8]。激光沖擊可使5086-H32鋁合金焊接接頭的屈服強(qiáng)度提升至母材水平,使6061-T6接頭的屈服強(qiáng)度提升至焊態(tài)接頭與母材的屈服強(qiáng)度之間[9]。

通過(guò)對(duì)6061-T6鋁合金接頭的激光沖擊強(qiáng)化研究,Sun等發(fā)現(xiàn),激光沖擊會(huì)在焊縫表面引入高密度位錯(cuò)和細(xì)化的晶粒,提高材料的硬度和抗拉強(qiáng)度[10]；蘇純等發(fā)現(xiàn),激光沖擊會(huì)在焊縫表面產(chǎn)生致密強(qiáng)化層和殘余壓應(yīng)力,使得疲勞裂紋源由焊縫表面轉(zhuǎn)移至亞表面,進(jìn)而將疲勞壽命提高117%,雙面激光沖擊可進(jìn)一步提高接頭的疲勞壽命[11]；徐國(guó)建等指出,經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后,疲勞斷裂位置由焊縫區(qū)轉(zhuǎn)移至基體金屬,使得疲勞壽命大幅提升,盡管激光沖擊會(huì)增大焊縫表面的粗糙度,但未影響接頭疲勞壽命的提高[12]。

綜上所述,激光沖擊導(dǎo)致材料表面塑性變形,通過(guò)位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)、湮滅和重排使得晶粒細(xì)化,提高材料的強(qiáng)度以及疲勞、磨損和腐蝕性能；此外,激光沖擊還會(huì)在材料表層引入壓縮應(yīng)力,抑制裂紋萌生,降低裂紋擴(kuò)展速率,從而提高材料的疲勞強(qiáng)度和壽命[13-17]。目前,有關(guān)Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)鋁合金熔焊接頭的激光沖擊實(shí)驗(yàn)研究較少,尤其是在疲勞性能的提升方面。本文采用激光-電弧復(fù)合焊接對(duì)2 mm厚度的7075-T6鋁合金進(jìn)行對(duì)接焊接,對(duì)焊縫表面實(shí)施激光沖擊強(qiáng)化處理,分析和對(duì)比了強(qiáng)化前后焊接接頭的硬度、殘余應(yīng)力和疲勞壽命。該研究可為激光沖擊技術(shù)在高強(qiáng)鋁合金熔焊結(jié)構(gòu)焊后處理中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐,促進(jìn)在高鐵中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與焊接工藝

母材選用高強(qiáng)度7075鋁合金軋制板材,熱處理狀態(tài)為T6,主要合金元素及含量為：5.6%Zn,2.5%Mg和1.6%Cu,線切割成240 mm×60 mm×2 mm的焊接試板。焊絲選用直徑為1.2 mm 的鋁鎂合金ER5356,鎂元素的含量約為母材的2倍,能夠有效地補(bǔ)充焊接過(guò)程中鎂元素的蒸發(fā)損失,降低焊縫熱裂敏感性[2]。

以垂直于板材的軋制方向進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接(無(wú)間隙對(duì)接焊接)。焊接過(guò)程中,光纖激光在前,脈沖電弧在后,光絲間距和夾角分別為3 mm 和30°,保護(hù)氣體選用純度為99.99%的氬氣,氣流量為45 L/min。焊接工藝參數(shù)如下：激光功率為3 kW,弧焊電流為90～140 A,焊接速度為2.5～10 m/min,送絲速度為5.3～8.3 m/min,離焦量為-1 mm。經(jīng)3個(gè)月的自然時(shí)效后,對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測(cè)試,并對(duì)焊縫表面實(shí)施激光沖擊強(qiáng)化處理。

1.2 激光沖擊原理及參數(shù)

激光沖擊強(qiáng)化原理如圖1所示。材料表面涂敷有吸收層,通常為有機(jī)黑漆、膠帶或鉛、鋅和鋁等金屬箔。高能量密度的激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦成毫米尺度的光斑,再透過(guò)水或玻璃等約束層照射在涂層表面。涂層充分吸收激光的能量,并在極短的時(shí)間內(nèi)氣化蒸發(fā)。蒸發(fā)的氣體繼續(xù)吸收能量,產(chǎn)生高壓等離子層,由于受到約束層的約束,高壓等離子體在噴射時(shí)發(fā)生爆炸,最終形成從靶材表面向內(nèi)部傳播的強(qiáng)應(yīng)力波[18-19]。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化原理圖

當(dāng)應(yīng)力波的峰值壓力超過(guò)材料的Hugoniot彈性限(HEL)一段時(shí)間后,材料表層會(huì)形成密集且穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致應(yīng)變硬化；同時(shí),當(dāng)沖擊波貯藏的彈性變形能超過(guò)材料的塑性變形能后,在材料表層會(huì)產(chǎn)生一定深度的殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng)。HEL由材料的屬性決定[20]:

(1)

(2)

(3)

激光沖擊過(guò)程中壓力值的估算是確定強(qiáng)化參數(shù)的重要基礎(chǔ),本文借助考慮了剩余吸收層的改進(jìn)沖擊壓力模型進(jìn)行估算[22]：

(4)

式中：P為沖擊壓力；I0=2.16 GW/cm2為激光強(qiáng)度密度；Z為與靶材聲阻抗(Z1)、約束層聲阻抗(Z2)和吸收層聲阻抗(Z3)有關(guān)的折合聲阻抗,Z=2.1×106g/(cm2·s)；α=0.1[23]。

與早期的Fabbro模型[23]相比,上述壓力模型由于考慮了剩余吸收層的影響,更符合激光沖擊的實(shí)際物理過(guò)程,參數(shù)估算更加準(zhǔn)確。

本文采用固體釹玻璃脈沖激光器,輸出激光波長(zhǎng)為1 064 nm,脈沖寬度為30 ns,頻率為0.1 Hz,光斑直徑為6 mm,激光功率密度為2.16 GW/cm2。激光沖擊前,將厚度為0.2 mm的鋁箔貼附于已打磨的焊縫表面,用于表面保護(hù)；在強(qiáng)化區(qū)域形成厚度為1 mm的均勻去離子水膜,用于抑制等離子體膨脹,增加沖擊波壓力。

圖2為7075鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭激光沖擊強(qiáng)化前后的宏觀圖片。

圖2 7075鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭宏觀圖片

1.3 性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

借助HXD-1000型數(shù)字式顯微硬度計(jì)獲取激光沖擊前后焊接接頭的維氏硬度分布,加載力為200 gf(1 gf=9.8×10-3N),保荷時(shí)間為15 s。借助MSF-2M型X射線衍射儀,采用側(cè)傾固定ψ法,在疲勞試樣切割之前測(cè)試了激光沖擊焊縫上表面的殘余應(yīng)力分布,其中,靶材為CrKα,波長(zhǎng)為0.228 97 nm,管電壓為40 kV,管電流為250 mA。

高周疲勞試驗(yàn)采用Amsler HFP 5000型試驗(yàn)機(jī),載荷波形為橫幅正弦波,應(yīng)力比R為0.1,加載頻率f為50 Hz,最大應(yīng)力σmax為300 MPa,試樣尺寸如圖3所示。一般認(rèn)為,切割和打磨拋光處理會(huì)去除焊縫中心的大部分殘余拉應(yīng)力,對(duì)強(qiáng)化接頭的疲勞性能影響不大。

圖3 高周疲勞試樣尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微硬度

圖4為激光沖擊前后焊接接頭強(qiáng)化面(上表面)的顯微硬度分布?？梢?jiàn),激光沖擊前,焊縫中心是整個(gè)焊接接頭軟化最為嚴(yán)重的區(qū)域,具有最低的硬度值,而經(jīng)激光沖擊后,焊縫區(qū)的顯微硬度則顯著提高,高于其毗鄰的熱影響區(qū)硬度,焊縫中心的硬度值由強(qiáng)化前的152 HV增加至175 HV。激光沖擊致硬度提升主要源于激光沖擊產(chǎn)生的沖擊波會(huì)在材料表面引入永久的塑性變形,位錯(cuò)通過(guò)增殖、運(yùn)動(dòng)、湮滅和重排等形成高密度位錯(cuò)缺陷,位錯(cuò)進(jìn)一步堆積、纏結(jié)形成亞晶粒,晶粒細(xì)化,晶界數(shù)量增多,當(dāng)材料進(jìn)一步塑性變形時(shí),這些晶界可以有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),起到強(qiáng)化材料力學(xué)性能的作用[24-25]。由經(jīng)典的霍爾-佩奇(Hall-Petch)關(guān)系,晶粒尺寸越小,材料的硬度和強(qiáng)度通常越高。上述激光沖擊致材料表層微結(jié)構(gòu)演化的示意圖如圖5所示。

圖4 激光沖擊前后焊接接頭的顯微硬度分布

圖5 激光沖擊致材料表層微結(jié)構(gòu)演化的示意圖

圖6進(jìn)一步給出了從強(qiáng)化表面至材料內(nèi)部的硬度變化規(guī)律。必須指出,樣品切割過(guò)程會(huì)釋放部分殘余應(yīng)力,而殘余應(yīng)力也會(huì)在一定程度上影響材料的力學(xué)性能,因此,圖6與圖4中直接測(cè)量獲得的硬度值略有差別。

圖6 從強(qiáng)化表面至材料內(nèi)部的硬度分布

可見(jiàn),在距強(qiáng)化表面0～100 μm的區(qū)域內(nèi)硬度較高,且硬度值隨著距強(qiáng)化表面的距離增加而逐漸減小,100 μm以下區(qū)域的硬度值基本穩(wěn)定。在距強(qiáng)化表面15 μm處硬度值最大,約為115 HV,與穩(wěn)定值94 HV相比,硬度提升了18%,可以認(rèn)為硬度的提升幅度并不顯著,表明材料表面塑性變形區(qū)的冷作硬化程度較小。眾所周知,冷作硬化程度直接影響到殘余應(yīng)力的松弛程度。根據(jù)包辛格效應(yīng),冷作硬化程度越高,材料的抗拉強(qiáng)度越高,抗壓屈服強(qiáng)度越低,在疲勞加載過(guò)程中應(yīng)力松弛會(huì)越快。因此,激光沖擊后希望獲得較低的冷作硬化程度[14]。

2.2 殘余應(yīng)力

在復(fù)雜的焊接熱循環(huán)作用下,焊接接頭內(nèi)部不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力,且焊縫區(qū)通常表現(xiàn)為殘余拉伸應(yīng)力[26]。大量研究表明,殘余拉應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋的萌生具有促進(jìn)作用,是造成焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的重要原因。

圖7為激光沖擊強(qiáng)化前后焊接接頭的殘余應(yīng)力分布。由圖可知,激光沖擊強(qiáng)化前,焊縫的殘余應(yīng)力以拉伸應(yīng)力為主,最大殘余拉應(yīng)力達(dá)到50 MPa,約為接頭屈服強(qiáng)度(305 MPa)的16%。盡管該殘余拉應(yīng)力值較小,但在疲勞加載過(guò)程中作為正載荷,會(huì)對(duì)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展行為產(chǎn)生不利影響。激光沖擊強(qiáng)化后,整個(gè)焊接接頭呈現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力分布,最大殘余壓應(yīng)力達(dá)到-200 MPa?？梢?jiàn),激光沖擊過(guò)程極大地改善了焊接接頭表層的應(yīng)力分布狀態(tài),由激光沖擊等離子體爆炸而在材料表層引入的殘余壓縮應(yīng)力有利于提高金屬材料的疲勞壽命。

圖7 激光沖擊前后焊接接頭的殘余應(yīng)力分布

2.3 疲勞性能

圖8為在應(yīng)力比R=0.1及最大應(yīng)力σmax=300 MPa下,工藝條件相同的2組復(fù)合焊接接頭在激光沖擊強(qiáng)化前后的疲勞壽命比較。

圖8 激光沖擊前后焊接接頭的疲勞壽命

由圖8可知,經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后,所有試樣的疲勞壽命均有了顯著提升。激光沖擊前,9組試樣疲勞壽命的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為262 297周和77 872周,而激光沖擊后疲勞壽命的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為675 937周和102 171周。激光沖擊使得焊接接頭的疲勞壽命提升了約2.6倍,且疲勞壽命表現(xiàn)出更大的離散性。

2.4 失效機(jī)制

激光沖擊后接頭疲勞壽命的顯著提升和較大的離散性與疲勞損傷機(jī)制密切相關(guān)。為此,借助掃描電子顯微鏡對(duì)比和分析了激光沖擊強(qiáng)化前后焊接接頭的疲勞斷口(見(jiàn)圖9)。

對(duì)于焊態(tài)接頭,疲勞失效源于焊縫表面具有高度應(yīng)力集中的氣孔缺陷,如圖9(a)所示。疲勞源區(qū)位于放射狀疲勞溝線的中心,放射狀疲勞溝線所在的區(qū)域?yàn)榱鸭y穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū),通常較為光滑平整。眾所周知,熔焊鋁合金最常見(jiàn)的一類體缺陷是冶金型氣孔,形成機(jī)理包括以下3種：溶解于高溫熔池中的氫氣和氮?dú)?在焊縫凝固時(shí)因氣體的溶解度突然下降,來(lái)不及逸出而殘留在焊縫中；冶金反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生不溶于金屬的氣體如一氧化碳；低熔點(diǎn)、高蒸汽壓的合金元素蒸發(fā)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,為消除焊縫余高和焊趾缺陷,需要對(duì)焊縫表面實(shí)施打磨拋光處理,而這一環(huán)節(jié)可能使得位于材料亞表面的氣孔露在表面,成為天然缺口,在疲勞載荷作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中,進(jìn)而萌生出裂紋[1,27]。

經(jīng)激光沖擊后,焊接接頭的疲勞破壞源于焊縫亞表面,見(jiàn)圖9(b)和圖9(c),疲勞源區(qū)可由放射狀疲勞溝線匯聚的部位確定。大部分裂紋形核點(diǎn)位于有效強(qiáng)化層深度100 μm以下的區(qū)域(見(jiàn)圖6)。圖9(b)中由于萌生的裂紋不在同一個(gè)平面,在裂紋交匯處出現(xiàn)較大的白色臺(tái)階形貌,進(jìn)而使得裂紋源區(qū)較為粗糙。

激光沖擊在材料表層引入的一定深度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)是疲勞性能提升的主要原因。在疲勞加載下,殘余壓應(yīng)力可看作負(fù)載荷,降低了焊縫實(shí)際承受的平均應(yīng)力,起到延緩疲勞裂紋萌生的作用。此外,殘余壓應(yīng)力的存在會(huì)誘導(dǎo)裂紋閉合,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力降低,延長(zhǎng)了短裂紋的擴(kuò)展壽命[28-29]。因殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的引入,使得裂紋萌生位置由表面缺陷移至材料強(qiáng)化層以下的亞表面。另一方面,激光沖擊使得材料表層晶粒細(xì)化也是提升疲勞性能的因素之一,在循環(huán)載荷作用下,減小了不均勻滑移程度,延長(zhǎng)了疲勞裂紋的形核周期[30]。

可見(jiàn),激光沖擊處理通過(guò)改善焊縫表層的微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布和幾何特征進(jìn)而起到增強(qiáng)焊接接頭疲勞性能的作用。裂紋形核位置由具有高度應(yīng)力集中的表面缺陷轉(zhuǎn)移至亞表面的缺陷或者微觀結(jié)構(gòu),這種多樣性和隨機(jī)性的裂紋萌生行為使得激光沖擊接頭的裂紋形核壽命具有較大的差異性,進(jìn)而導(dǎo)致較大的疲勞壽命離散性。

3 結(jié) 論

采用激光沖擊技術(shù)對(duì)2 mm厚度的7075-T6鋁合金激光復(fù)合焊接接頭進(jìn)行了強(qiáng)化處理,對(duì)比分析了強(qiáng)化前后接頭的硬度、殘余應(yīng)力、疲勞性能和裂紋萌生機(jī)制,主要結(jié)論如下：

1)激光沖擊強(qiáng)化后,焊縫中心的顯微硬度由152 HV提升至175 HV,冷作硬化程度較低,有效強(qiáng)化層深度約為100 μm。

2)焊接接頭的殘余應(yīng)力由強(qiáng)化前的拉伸應(yīng)力演變?yōu)閺?qiáng)化后的壓縮應(yīng)力,焊縫中心最大殘余壓應(yīng)力達(dá)到-200 MPa。

3)經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后,焊接接頭試樣的疲勞壽命提升了2.6倍,疲勞壽命的離散性更大。疲勞裂紋萌生位置由焊縫表面缺陷轉(zhuǎn)移至亞表面缺陷或者微觀結(jié)構(gòu)處。