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摘要：采用X射线衍射法，研究了多次焊补对A5083P-O铝合金焊接接头残余应力分布规律的影响。结果表明：不同焊补次数条件下焊接接头残余应力值并未发生较大幅度的变化，残余拉应力峰值相差不大，出现在熔合线或者靠近焊缝的热影响区，均小于材料的名义屈服强度；残余应力变化分布规律基本一致。从残余应力的角度来看，可以有进行5次焊补的可能。
关键词：A5083P-O铝合金；多次焊补；残余应力
中图分类号：TG404 文献标识码：A
铝合金已经广泛应用于高速列车的生产制造中[1]。然而，由于铝合金焊接时易产生气孔、夹渣、裂纹、很大的收缩应力等缺陷，需要进行焊接修补予以清除[2]，同时高速列车每在线运行一段时间后要返回主机厂进行检修，检修过程中如果发现有裂纹等缺陷，也必须进行焊接修补。对于高速列车车体而言，采用焊接修补工艺是节约制造成本和维修成本的有效手段。因此深入研究焊补工艺对铝合金焊接接头性能的影响，确定合理的焊接修补工艺，对降低生产制造成本和维修成本都具有十分重要的实际意义。国内针对铝合金焊补的研究主要为接头组织性能的研究[2-4]，对焊补接头残余应力的研究基本未见。本文拟对高速列车用A5083P-O铝合金为研究对象，研究多次焊补对接头残余应力分布的影响，从残余应力的角度评估铝合金焊接接头多次焊补的可行性。
1 试验材料及方法
试验所用材料为A5083P-O铝合金板，抗拉强度σb≥275MPa，屈服强度σs≥125MPa，延伸率δ≥12%。所用焊丝牌号为ER5356，直径为φ=1.2mm。铝合金板和焊丝化学成分见表1。
表1 A5083铝合金和焊丝化学成分（wt%）
试件采用310mm×160mm×6mm的两块A5083P-O铝合金板对焊而成，坡口为单侧35°，采用KEMPPI-FastMIG-Pulse 350焊机，焊两道，第一道打底焊，电压19.8V，电流208A，第二道电压为20.8V，电流为168A，焊接速度为500mm/min，保护气为高纯氩（99.999%），气体流速为16L/min。每次焊补前先将焊缝挖除，再用砂轮打磨出金属光泽，每次焊补工艺参数与前述正常焊接工艺相同，共进行5次焊补。
正常焊接后和不同次數焊补后均进行残余应力测试，测试位置为试件垂直于焊缝方向的中线上，各测试条件下测试位置相同。残余应力测试采用X射线衍射法进行。测试设备为PROTO-iXRD残余应力仪，测试参数为：侧倾固定ψ 0法，Cr靶，管电压20kV，管电流4mA，衍射晶面为（222），布拉格角2θ=156.90°，准直管直径为2mm，Al粉校准，扫描范围120°～160°，采用多曝光模式，曝光时间为2s。
2试验结果及分析
由于板厚只有6mm，所以厚度方向上的残余应力很小，残余应力基本上都是双轴的，即为平面应力状态[5]。将平行于焊缝方向的应力定义为纵向残余应力σx，垂直于焊缝方向的应力定义为横向残余应力σy。表2为试板在不同焊补次数条件下的残余应力测试结果。从表中可以看出，不管是未焊补还是焊补后，所测试板残余应力在焊缝区、熔合线及近缝区均为残余拉应力，母材基本为残余压应力。同种焊补状态下对应同一位置，纵向应力σx要大于横向应力σy。不同焊补次数状态下试板的最大残余拉应力值分别为92MPa、94MPa、97MPa、89MPa、94MPa和89MPa，数值相差不大，且均小于A5083P-O铝合金板的名义屈服强度125MPa，说明在本次试验条件下焊补次数的增多并未使焊接接头残余应力峰值产生大的变化。
表2 不同焊补次数条件下试板残余应力测试结果（单位：MPa）
图1为不同焊补次数状态下试板表面残余应力分布曲线图。从图中可以看出，试板测试中线的残余应力分布趋势并没有因为焊补次数的不同而发生大的改变，分布规律与文献[5]所描述的铝合金平板对接焊缝应力分布变化规律基本相似，残余应力分布曲线呈驼峰状，中间有小波谷，即焊缝中心及附近残余拉应力值较低，残余拉应力最大值出现在熔合线或者靠近焊缝的热影响区，说明在本次试验条件下焊补次数的增加并未改变焊接接头残余应力的分布规律。另外可以发现，虽然随着焊补次数的增加焊接接头热影响区经过的热循环次数增加，但是从测试结果来看，热影响区的残余应力值并未发生大幅度的变化，甚至在焊补5次后残余应力还有所减小。不过热影响区经过多次热处理作用，会产生热量累积[6]，其组织性能有可能发生较大变化，这点值得注意。
焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的决定性因素，热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，导致受约束的热变形和塑性变形，最终形成了焊接残余应力。对于铝合金来说，由于其热导率比较高，使其温度场近似于正圆形，与沿焊缝长度同时加热的模型相差悬殊，造成了与平面变形假设的出入比较大，在焊接过程中，铝合金受热膨胀，实际受到的限制比平面假设时的要小，因此压缩塑性变形量降低，残余应力也因而较低，一般纵向残余应力只能达到0.5-0.8σs[5]。
（a）纵向残余应力分布曲线
（b）横向残余应力分布曲线
图1 不同焊补次数条件下试板残余应力分布曲线
3结论
（1）不同焊补次数条件下接头在焊缝区、熔合线及近缝区均为残余拉应力，母材基本为残余压应力；残余应力值并未发生大幅度的变化，残余拉应力峰值相差不大，且均小于材料的名义屈服强度。
（2）不同焊补次数条件下接头的残余应力变化分布规律基本相似，残余应力峰值出现在熔合线或者靠近焊缝的热影响区。
（3）从残余应力的角度来看，可以有进行5次焊补的可能，因此在车体实际的焊补中可以参考。
参考文献：
[1]朱正锋，张国荣，周斌，章正晓.铝合金在轨道交通业的应用与展望[J].铁道机车车辆工人，2006，（1）：26-28
[2]刘春宁，王秀义，钮旭晶等.补焊对6082铝合金焊接接头组织和性能的影响[J].焊接技术，2012，41（1）：5-7
[3] 徐维普，刘秀忠，盖晓东等.锌铝合金补焊的研究[J].焊接技术，2004，33（5）：26-27
[4]于金鹏，张立民，张卫华等.多次焊补对高速列车铝合金焊接接头的影响[J].焊接学报，2012，33（11）：66-82
[5]方洪渊. 焊接结构学[M]. 北京：机械工业出版社， 2008.
[6]王心红，张志毅.多次焊补对转向架构架焊接接头机械性能的影响[J].机车车辆工艺，2011，（4）：20
关键词：A5083P-O铝合金；多次焊补；残余应力
中图分类号：TG404 文献标识码：A
铝合金已经广泛应用于高速列车的生产制造中[1]。然而，由于铝合金焊接时易产生气孔、夹渣、裂纹、很大的收缩应力等缺陷，需要进行焊接修补予以清除[2]，同时高速列车每在线运行一段时间后要返回主机厂进行检修，检修过程中如果发现有裂纹等缺陷，也必须进行焊接修补。对于高速列车车体而言，采用焊接修补工艺是节约制造成本和维修成本的有效手段。因此深入研究焊补工艺对铝合金焊接接头性能的影响，确定合理的焊接修补工艺，对降低生产制造成本和维修成本都具有十分重要的实际意义。国内针对铝合金焊补的研究主要为接头组织性能的研究[2-4]，对焊补接头残余应力的研究基本未见。本文拟对高速列车用A5083P-O铝合金为研究对象，研究多次焊补对接头残余应力分布的影响，从残余应力的角度评估铝合金焊接接头多次焊补的可行性。
1 试验材料及方法
试验所用材料为A5083P-O铝合金板，抗拉强度σb≥275MPa，屈服强度σs≥125MPa，延伸率δ≥12%。所用焊丝牌号为ER5356，直径为φ=1.2mm。铝合金板和焊丝化学成分见表1。
表1 A5083铝合金和焊丝化学成分（wt%）
试件采用310mm×160mm×6mm的两块A5083P-O铝合金板对焊而成，坡口为单侧35°，采用KEMPPI-FastMIG-Pulse 350焊机，焊两道，第一道打底焊，电压19.8V，电流208A，第二道电压为20.8V，电流为168A，焊接速度为500mm/min，保护气为高纯氩（99.999%），气体流速为16L/min。每次焊补前先将焊缝挖除，再用砂轮打磨出金属光泽，每次焊补工艺参数与前述正常焊接工艺相同，共进行5次焊补。
正常焊接后和不同次數焊补后均进行残余应力测试，测试位置为试件垂直于焊缝方向的中线上，各测试条件下测试位置相同。残余应力测试采用X射线衍射法进行。测试设备为PROTO-iXRD残余应力仪，测试参数为：侧倾固定ψ 0法，Cr靶，管电压20kV，管电流4mA，衍射晶面为（222），布拉格角2θ=156.90°，准直管直径为2mm，Al粉校准，扫描范围120°～160°，采用多曝光模式，曝光时间为2s。
2试验结果及分析
由于板厚只有6mm，所以厚度方向上的残余应力很小，残余应力基本上都是双轴的，即为平面应力状态[5]。将平行于焊缝方向的应力定义为纵向残余应力σx，垂直于焊缝方向的应力定义为横向残余应力σy。表2为试板在不同焊补次数条件下的残余应力测试结果。从表中可以看出，不管是未焊补还是焊补后，所测试板残余应力在焊缝区、熔合线及近缝区均为残余拉应力，母材基本为残余压应力。同种焊补状态下对应同一位置，纵向应力σx要大于横向应力σy。不同焊补次数状态下试板的最大残余拉应力值分别为92MPa、94MPa、97MPa、89MPa、94MPa和89MPa，数值相差不大，且均小于A5083P-O铝合金板的名义屈服强度125MPa，说明在本次试验条件下焊补次数的增多并未使焊接接头残余应力峰值产生大的变化。
表2 不同焊补次数条件下试板残余应力测试结果（单位：MPa）
图1为不同焊补次数状态下试板表面残余应力分布曲线图。从图中可以看出，试板测试中线的残余应力分布趋势并没有因为焊补次数的不同而发生大的改变，分布规律与文献[5]所描述的铝合金平板对接焊缝应力分布变化规律基本相似，残余应力分布曲线呈驼峰状，中间有小波谷，即焊缝中心及附近残余拉应力值较低，残余拉应力最大值出现在熔合线或者靠近焊缝的热影响区，说明在本次试验条件下焊补次数的增加并未改变焊接接头残余应力的分布规律。另外可以发现，虽然随着焊补次数的增加焊接接头热影响区经过的热循环次数增加，但是从测试结果来看，热影响区的残余应力值并未发生大幅度的变化，甚至在焊补5次后残余应力还有所减小。不过热影响区经过多次热处理作用，会产生热量累积[6]，其组织性能有可能发生较大变化，这点值得注意。
焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的决定性因素，热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，导致受约束的热变形和塑性变形，最终形成了焊接残余应力。对于铝合金来说，由于其热导率比较高，使其温度场近似于正圆形，与沿焊缝长度同时加热的模型相差悬殊，造成了与平面变形假设的出入比较大，在焊接过程中，铝合金受热膨胀，实际受到的限制比平面假设时的要小，因此压缩塑性变形量降低，残余应力也因而较低，一般纵向残余应力只能达到0.5-0.8σs[5]。
（a）纵向残余应力分布曲线
（b）横向残余应力分布曲线
图1 不同焊补次数条件下试板残余应力分布曲线
3结论
（1）不同焊补次数条件下接头在焊缝区、熔合线及近缝区均为残余拉应力，母材基本为残余压应力；残余应力值并未发生大幅度的变化，残余拉应力峰值相差不大，且均小于材料的名义屈服强度。
（2）不同焊补次数条件下接头的残余应力变化分布规律基本相似，残余应力峰值出现在熔合线或者靠近焊缝的热影响区。
（3）从残余应力的角度来看，可以有进行5次焊补的可能，因此在车体实际的焊补中可以参考。
参考文献：
[1]朱正锋，张国荣，周斌，章正晓.铝合金在轨道交通业的应用与展望[J].铁道机车车辆工人，2006，（1）：26-28
[2]刘春宁，王秀义，钮旭晶等.补焊对6082铝合金焊接接头组织和性能的影响[J].焊接技术，2012，41（1）：5-7
[3] 徐维普，刘秀忠，盖晓东等.锌铝合金补焊的研究[J].焊接技术，2004，33（5）：26-27
[4]于金鹏，张立民，张卫华等.多次焊补对高速列车铝合金焊接接头的影响[J].焊接学报，2012，33（11）：66-82
[5]方洪渊. 焊接结构学[M]. 北京：机械工业出版社， 2008.
[6]王心红，张志毅.多次焊补对转向架构架焊接接头机械性能的影响[J].机车车辆工艺，2011，（4）：20