張 雷 吳 磊 張健磊 張樹山 付志風(fēng) 秀 妍

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 河北 唐山 063000)

焊接作為金屬車體主要結(jié)構(gòu)的連接方式，因施焊過程局部冷熱不均，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)有殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生，薄板構(gòu)件焊接的殘余應(yīng)力與變形問題尤為突出，影響結(jié)構(gòu)尺寸、外觀和穩(wěn)定性，可能產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞和脆斷而引發(fā)事故。

表面殘余拉應(yīng)力會(huì)加快裂紋萌生和擴(kuò)展速度，從而降低構(gòu)件的疲勞壽命。而殘余壓應(yīng)力在一定程度上會(huì)提高構(gòu)件的服役壽命。因此，采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄊ共牧媳砻娈a(chǎn)生殘余壓應(yīng)力對(duì)于提高列車使用年限具有非常重要的意義。

王亞娟[1]研究了不同的表面處理方式對(duì)鋁合金6063膠接結(jié)構(gòu)件膠接接頭力學(xué)性能的影響，研究表明不同的表面處理方式對(duì)鋁合金6063膠接結(jié)構(gòu)件的拉剪強(qiáng)度有很大影響，機(jī)械打磨和酒精脫脂可以顯著提高鋁合金6063膠接接頭的拉剪強(qiáng)度。樓林潔[2]基于保護(hù)環(huán)境和滿足市場對(duì)材料需求的情況，闡述了若干有效解決辦法，為鑄造鋁合金表面處理技術(shù)提供借鑒與參考。

國內(nèi)對(duì)表面處理方法的研究發(fā)現(xiàn)： 采用噴砂處理的鋁合金表面粗糙度明顯增加， 有利于抑制裂紋的產(chǎn)生， 能在鋁合金表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，消除表面的殘余拉應(yīng)力，使殘余應(yīng)力分布更均勻，有效阻止裂紋的萌生和擴(kuò)展，同時(shí)噴砂處理后的鋁合金表面會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而且在疲勞循環(huán)過程中壓應(yīng)力有所松弛。

本文主要研究表面處理技術(shù)中噴砂法對(duì)鋁合金車體殘余應(yīng)力的影響效果，并依次對(duì)不同工藝下表面噴砂處理后的試件進(jìn)行疲勞壽命測試及數(shù)據(jù)分析，以驗(yàn)證不同表面處理技術(shù)及不同的加工工藝對(duì)鋁合金車體殘余應(yīng)力的影響。

1 表面處理工藝試樣疲勞壽命

在設(shè)定的應(yīng)力等級(jí)下，對(duì)于發(fā)生疲勞破壞的試樣，采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)完全拉斷并制作斷口掃描試樣，通過斷口分析研究不同表面處理工藝對(duì)疲勞斷裂的影響。

疲勞壽命各組試樣分別有5個(gè)，試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24176—2009給出的金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法，在置信度不低于80%的條件下進(jìn)行，即每組5個(gè)試樣，至少有4個(gè)結(jié)果有效，因試樣加工，氣孔、夾渣等對(duì)性能產(chǎn)生較大影響的焊接缺陷造成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常，可作為異常數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行試樣補(bǔ)充，重新計(jì)算置信度。

表1中橫截面尺寸為試驗(yàn)前在疲勞試驗(yàn)上隨機(jī)選取3個(gè)截面進(jìn)行測量而獲得的最小值，并根據(jù)橫截面尺寸最小值和應(yīng)力等級(jí)、應(yīng)力比計(jì)算試驗(yàn)力。為避免疲勞設(shè)備不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，疲勞試驗(yàn)盡可能采用相同型號(hào)設(shè)備進(jìn)行，疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 疲勞壽命(R=0,120 MPa、140 MPa)

從表2疲勞壽命均值對(duì)比分析，噴砂處理后，試樣疲勞壽命下降約50%，而兩種噴丸工藝都大幅度提升了疲勞試樣在R=0，120 MPa下的疲勞壽命，故認(rèn)為該應(yīng)力條件下噴丸處理試樣循環(huán)無數(shù)次都不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，引入殘余壓應(yīng)力能顯著提高材料的疲勞壽命；但當(dāng)粗糙度值過大時(shí)，即使引入較大值的殘余壓應(yīng)力，因表面損傷嚴(yán)重，必然造成大量微觀應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致疲勞壽命大大降低。

表2 疲勞壽命均值對(duì)比(R=0，120 MPa) /×103

從表3 疲勞壽命均值對(duì)比可以看出在應(yīng)力比為0，應(yīng)力級(jí)為140 MPa下，鋼丸噴丸處理和玻璃丸噴丸處理后的試樣疲勞壽命均值有一定數(shù)值差異，但考慮疲勞試驗(yàn)結(jié)果的分散性，可以認(rèn)為兩種處理工藝下的疲勞壽命沒有明顯區(qū)別。

表3 疲勞壽命均值對(duì)比(R=0，140 MPa) /×103

2 不同表面處理試樣疲勞斷口形貌

斷口掃描選取疲勞斷裂試樣進(jìn)行試驗(yàn)，由于疲勞斷口試樣較多，僅選取各組中具有代表性的斷口圖片進(jìn)行觀察、分析，如圖1所示。

圖1 疲勞斷口SEM掃描

從各個(gè)試樣的斷口宏觀形貌和整體微觀形貌來看，斷面角度幾乎與主應(yīng)力方向垂直，斷口宏觀形貌呈顆粒狀，色澤灰暗，斷面較平整，塑性變形量少，大致可以判斷為脆性斷裂。一般疲勞斷口可以大致分為疲勞源、光滑區(qū)和粗粒區(qū)。疲勞破壞過程中主要經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、瞬間斷裂三個(gè)階段。疲勞試驗(yàn)大部分時(shí)間都處于第二階段，當(dāng)肉眼能觀察到輕微裂紋痕跡時(shí)，試樣在1～2 s內(nèi)瞬間斷裂。

(1)疲勞源

從圖1各斷口疲勞源來看，未處理和噴丸、噴砂處理斷口都具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞源均發(fā)源于表面或近表面，A-1-a、C-2-a疲勞源分別起源于表面氣孔和近表面夾雜，其中A-1-a、B-7-a、C-2-a、D-10-a斷口形貌中均能看到以疲勞源為中心的河流花樣，C-3-a除了能看到明顯的河流花樣，還能看到明顯的與一次疲勞弧線相垂直的二次疲勞弧線，各個(gè)試樣斷口形貌上均能觀察到不同大小的第二相，疲勞裂紋經(jīng)過該類區(qū)域時(shí)，加速裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生光亮的后拖痕跡，可能與Cr、Mn、Fe等元素形成的金屬化合物富集有關(guān)。

(2)裂紋擴(kuò)展區(qū)

對(duì)于大多數(shù)疲勞斷裂，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的大小能在一定程度上反映疲勞擴(kuò)展裂紋臨界裂紋長度，一般裂紋擴(kuò)展區(qū)越大，疲勞擴(kuò)展臨界裂紋長度越長。

從B-7-a、D-10-a的斷口形貌可以看出從疲勞源到瞬斷區(qū)都有較長的裂紋擴(kuò)展區(qū)，表面粗糙度變化明顯。A-1-a、C-2-a中觀察到，未處理試樣斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)相對(duì)噴丸處理試樣要短得多，而噴砂試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)最不明顯。

觀察噴砂處理試樣(C-3-a)可以看出由于多疲勞源的影響，疲勞斷口的擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)沒有明顯界限，從裂紋萌生到擴(kuò)展至瞬斷，三個(gè)區(qū)域均能看到粗糙的放射花樣，及二次裂紋產(chǎn)生的垂直于裂紋擴(kuò)展方向的放射花樣，斷口各個(gè)區(qū)域都較為光亮，說明內(nèi)部缺陷對(duì)疲勞抗力的降低有很大影響，試樣過載程度大。

從各個(gè)斷口的疲勞輝紋來看，鋼丸和玻璃丸噴丸強(qiáng)化后的試樣，疲勞輝紋的紋路相對(duì)較深、較密，而噴砂處理試樣疲勞輝紋較淺，并且能觀察到較多撕扯產(chǎn)生的臺(tái)階。由此進(jìn)一步說明，噴丸強(qiáng)化能提高試樣的疲勞抗力，噴砂處理則相反。

(3)瞬斷區(qū)

疲勞瞬斷區(qū)是疲勞裂紋達(dá)到臨界裂紋長度后發(fā)生快速斷裂而形成的區(qū)域。當(dāng)疲勞裂紋達(dá)到臨界長度時(shí)，構(gòu)件的有效承載截面無法承受外加載荷而發(fā)生快速斷裂。

未處理試樣和噴砂處理試樣，瞬斷區(qū)成粗大放射線狀，兩種噴丸工藝處理后的試樣疲勞斷口能觀察到粗糙的晶粒狀形貌，整體看起來該區(qū)域都較為光亮，這些都是脆斷的典型特征。

各個(gè)試樣的瞬斷區(qū)都能看到裂紋達(dá)到臨界長度后，試樣截面局部過載導(dǎo)致的快速斷裂痕跡，并留下形態(tài)各異的韌窩。各個(gè)試樣的韌窩大小相當(dāng)，但噴丸處理試樣和未處理試樣韌窩都較規(guī)則，而噴砂處理試樣韌窩則存在極明顯的撕裂痕跡，韌窩形態(tài)比較不規(guī)則。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過表面處理的疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：經(jīng)過玻璃丸和鋼丸處理的疲勞試樣的壽命明顯高于未處理的疲勞試樣。

經(jīng)過噴砂處理的疲勞試樣的壽命卻明顯低于未處理試樣。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)疲勞破壞起源于試件表面，經(jīng)過玻璃丸和鋼丸處理的試樣，表面形成了一層壓應(yīng)力層，在疲勞試驗(yàn)過程中與外載疊加相當(dāng)于降低了表面層的平均應(yīng)力，從而提高了經(jīng)玻璃丸和鋼丸處理試件的疲勞壽命。

而對(duì)于噴砂試件，由于粗糙度的大小是表征磨削質(zhì)量高低的一個(gè)重要參數(shù)，粗糙度越小，磨削質(zhì)量越高，構(gòu)件抗疲勞性能越好。因?yàn)楦鶕?jù)斷裂力學(xué)原理，表面粗糙度值越大，缺口效應(yīng)就越大，即應(yīng)力集中系數(shù)越大，故疲勞性能就越差。這個(gè)時(shí)候雖然噴砂試件表面獲得的殘余壓應(yīng)力高于玻璃丸和鋼丸處理的表面，但是由于此時(shí)粗糙度對(duì)試樣疲勞壽命的影響占主導(dǎo)地位，造成噴砂處理后試樣的疲勞壽命反而低于未處理試樣，因此選擇合理的噴砂工藝參數(shù)十分重要。

4 結(jié)論

噴砂處理法對(duì)鋁合金車體殘余應(yīng)力的控制在軌道交通車輛制造企業(yè)中已得到使用，從實(shí)際處理效果方面有以下結(jié)論：

(1)噴砂處理可以促使鋁合金在淺表面至0.3 mm范圍內(nèi)形成有效的壓應(yīng)力層，壓應(yīng)力的范圍在-100 MPa～0之間，且針對(duì)6005等不同的鋁合金材料，對(duì)接、搭接、角接等不同的接頭型式，在壓應(yīng)力的影響范圍上有一定細(xì)微差異。

(2)噴砂處理不會(huì)改變鋁合金焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能本質(zhì)，因此采用噴砂處理可以最大程度地保持原焊接接頭的性能，從維持鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量穩(wěn)定性考慮是有益處的。

(3)噴砂工藝的選擇很重要，噴砂工藝會(huì)影響到噴砂后鋁合金車體表面的粗糙度、殘余應(yīng)力的大小等。