(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111; 2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

不銹鋼薄板激光搭接焊殘余應(yīng)力測(cè)量方法對(duì)比研究

李樹(shù)虎1姜云祿2陳懷寧2梁行2趙瑞榮1韓曉輝1

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111; 2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

為了研究不銹鋼車(chē)體非熔透激光搭接焊中的殘余應(yīng)力，采用2 mm+2 mm厚SUS 301L不銹鋼板冷軋板進(jìn)行了CO2激光搭接焊試驗(yàn)，選擇壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法和X射線衍射法測(cè)量接頭中的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明，壓痕應(yīng)變法測(cè)量的縱向峰值應(yīng)力為237 MPa，橫向?yàn)?24 MPa，測(cè)量結(jié)果為1 mm2區(qū)域近表面的平均殘余應(yīng)力；全釋放應(yīng)變法測(cè)量得到的縱向、橫向應(yīng)力峰值分別為155 MPa和55 MPa，測(cè)量結(jié)果為5 mm×5 mm整個(gè)解剖試樣的平均殘余應(yīng)力；X射線衍射法測(cè)量的縱向、橫向應(yīng)力峰值分別為344 MPa和163 MPa，測(cè)量結(jié)果為1～2 mm區(qū)域表層中的平均殘余應(yīng)力，且誤差范圍較大。

不銹鋼激光搭接焊殘余應(yīng)力壓痕應(yīng)變法全釋放應(yīng)變法X射線衍射法

0 序 言

焊接過(guò)程不均勻的局部加熱及快速冷卻，不可避免的在焊接接頭中產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力[1-2]。殘余應(yīng)力的存在對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度和抗脆斷等性能具有嚴(yán)重影響，尤其對(duì)不銹鋼材料在腐蝕條件下很容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[3-4]。對(duì)于薄板構(gòu)件還可能降低工件的尺寸穩(wěn)定性和剛度。

不銹鋼車(chē)體因具有較高的耐腐蝕性能、耐高溫性能和優(yōu)良的力學(xué)性能，與鋁合金車(chē)體和碳鋼車(chē)體相比優(yōu)勢(shì)明顯[5-6]。車(chē)體采用激光搭接焊取代點(diǎn)焊工藝，大大提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和密封性[7-8]。但是，不銹鋼具有熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大的物理特性，在不銹鋼激光搭接焊的過(guò)程中易形成引起較大的焊接殘余應(yīng)力。激光搭接接頭存在的高數(shù)值的焊接殘余應(yīng)力對(duì)車(chē)體運(yùn)行安全有不可忽略的影響[9-11],因此有效準(zhǔn)確的測(cè)量焊接殘余應(yīng)力具有重大意義。然而采用哪種應(yīng)力測(cè)量方法更適合車(chē)體搭接接頭殘余應(yīng)力的測(cè)量，尚需進(jìn)一步研究，因?yàn)椴煌瑴y(cè)量方法的特點(diǎn)可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不一致性。

文中選用三種不同類(lèi)型且應(yīng)用頻率較高的壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法和X射線衍射法，對(duì)相同條件的不銹鋼薄板激光搭接進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量比較[12-14]。討論特定條件下不同殘余應(yīng)力測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，研究結(jié)果為特定條件下準(zhǔn)確測(cè)量焊接殘余應(yīng)力提供理論依據(jù)。

1 材料與分析方法

試驗(yàn)材料為2 mm厚的進(jìn)口EN1.4318-2G不銹鋼板，該材料屬于SUS301L系列，通過(guò)冷軋形變獲得較高的強(qiáng)度。材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 EN 1.4318-2G不銹鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度360 MPa，抗拉強(qiáng)度880 MPa，斷后伸長(zhǎng)率48%。將兩塊尺寸為1 000 mm×80 mm×2 mm的不銹鋼板搭接，搭接寬度30 mm，利用CO2軸流式激光器進(jìn)行連續(xù)焊接，焊接時(shí)采用壓板壓緊。激光焊接功率3 kW，焊接速度3.2 m/min，離焦量0，同軸保護(hù)氣流量18 L/min，氣體為50%Ar+50%He，光束波長(zhǎng)10.6 μm，光斑直徑0.6 mm，焦距330 mm。

按照車(chē)體的生產(chǎn)要求，搭接接頭上板焊透，下板半熔透。依據(jù)GB/T 24179—2009《金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定壓痕應(yīng)變法》、GB/T 31218—2014《金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定全釋放應(yīng)變法》和GB/T 7704—2008《無(wú)損檢測(cè)X射線應(yīng)力測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)激光搭接焊試板進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)量。考慮激光搭接焊的不穩(wěn)定性，每個(gè)測(cè)量值為三次測(cè)量的平均值，其中壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法采用同一型號(hào)的應(yīng)變采集器，設(shè)備型號(hào)為KJS-3P型，應(yīng)變片型號(hào)分別為BA120-1BA-zxy和BE120-05AA，片基外形尺寸分別為6 mm×6 mm和2 mm×1 mm。X射線衍射法用設(shè)備型號(hào)為日本Pulstec公司制造的型號(hào)為μ-X360n型全二維測(cè)試設(shè)備，采用CrKβ特征輻射，側(cè)傾固定Ψ法，管電壓30 kV，管電流1 mA，衍射晶面為<311>，入射角為30°，衍射角(2θ)148.5°，曝光時(shí)間為90 s，應(yīng)力計(jì)算常數(shù)彈性模量E=193 GPa，泊松比ν=0.3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓痕應(yīng)變法殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

按照GB/T 24179—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[12]，應(yīng)力測(cè)量前需要根據(jù)被測(cè)材料試驗(yàn)確定標(biāo)定系數(shù)。標(biāo)定在自制水平拉伸裝置上進(jìn)行，標(biāo)定曲線結(jié)果如圖1所示。另外，圖1中的壓縮應(yīng)變是根據(jù)SUS304不銹鋼材料的數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到。圖中實(shí)線為沿拉伸方向的應(yīng)變?cè)隽?，虛線為垂直拉伸方向的應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

圖1 壓痕應(yīng)變法標(biāo)定結(jié)果

測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，主要測(cè)點(diǎn)布置在上板焊縫附近，對(duì)于半熔透的激光搭接焊試板下板，僅在與上板焊縫中心對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)量。圖2為應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖，由于受到貼應(yīng)變片空間位置的限制，三種測(cè)量方法測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)略有差別。

壓痕應(yīng)變法測(cè)量結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，上板峰值應(yīng)力出現(xiàn)在距離焊縫中心1～2 mm處，縱向焊接殘余應(yīng)力峰值為237 MPa，橫向焊接殘余應(yīng)力峰值為124 MPa。對(duì)于下板焊縫，縱向殘余應(yīng)力為88 MPa，橫向殘余應(yīng)力為-51 MPa。

圖2 焊接殘余應(yīng)力測(cè)量位置分布示意圖

圖3 壓痕應(yīng)變法上板焊縫應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

壓痕應(yīng)變法由壓入球形壓痕產(chǎn)生的材料流變引起的松弛變形和壓痕產(chǎn)生的彈塑性區(qū)及周?chē)臍堄鄳?yīng)力作用的疊加產(chǎn)生的應(yīng)變變化來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力。所產(chǎn)生的壓痕直徑為1.0～1.1 mm，深度0.1 mm，測(cè)試表面基本可以達(dá)到無(wú)損測(cè)量的要求，對(duì)于測(cè)量分布區(qū)域較窄的殘余應(yīng)力場(chǎng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2 全釋放應(yīng)變法殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

采用與圖2相同的測(cè)點(diǎn)布置，依據(jù)GB/T 31218—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[13]，上板應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？v向殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊縫中心位置，峰值為155 MPa。橫向殘余應(yīng)力峰值較小，峰值為59 MPa。下板背面焊縫附近的縱向焊接殘余應(yīng)力為143 MPa，橫向焊接殘余應(yīng)力為34 MPa。

全釋放應(yīng)變法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力是利用切割解剖構(gòu)件時(shí)釋放的應(yīng)變變化，采用經(jīng)典胡克定律計(jì)算殘余應(yīng)力的。全釋放應(yīng)變法測(cè)量過(guò)程具有破壞性，使得全釋放的應(yīng)用范圍受到一定限制。

圖4 全釋放應(yīng)變法上板焊縫應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

2.3 X射線衍射法殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

依據(jù)GB/T 7704—2008X射線應(yīng)力測(cè)定方法規(guī)定，利用型號(hào)為μ-X360n型X射線衍射法設(shè)備進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)量，該設(shè)備利用檢測(cè)點(diǎn)的全二維Debye環(huán)的衍射特征進(jìn)行全自動(dòng)應(yīng)力分析(包括誤差)，X射線衍射法的測(cè)量結(jié)果列于表2和圖5，表1中同時(shí)給出了應(yīng)力測(cè)量誤差范圍。由圖5可以看出,縱向應(yīng)力峰值位于距焊縫中心3 mm處，峰值為344 MPa，距離6 mm遠(yuǎn)處的數(shù)值依然高達(dá)293 MPa，而距離焊縫中心1～2mm處的應(yīng)力應(yīng)在250 MPa左右，接近壓痕應(yīng)變法數(shù)值。橫向殘余應(yīng)力峰值位于距焊縫中心6 mm處，峰值為163 MPa，焊縫中心處的應(yīng)力為44 MPa。下板焊縫附近的縱向焊接殘余應(yīng)力峰值為162 MPa，橫向焊接殘余應(yīng)力峰值為-81 MPa。

表2 X射線衍射法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力結(jié)果

圖5 X射線衍射法上板焊縫應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

μ-X360n型X射線衍射法適用于在X射線下能夠獲得連續(xù)Debye環(huán)的多晶金屬材料試樣，獲得的某個(gè)Debye環(huán)云圖如圖6所示。由圖6可以看出，測(cè)量區(qū)域(約1～2 mm)的Debye環(huán)不夠均勻連續(xù)，甚至出現(xiàn)間斷的部分。

圖6 X射線衍射法中Debye環(huán)示例

2.4 三種測(cè)量方法結(jié)果差異原因分析

壓痕應(yīng)變法的壓痕深度約為0.1～0.2 mm，所測(cè)數(shù)值反映的是壓痕周?chē)? mm范圍內(nèi)近表層中的殘余應(yīng)力，一般情況下可以較為真實(shí)地獲得焊接接頭附近的殘余應(yīng)力大小。

全釋放應(yīng)變法測(cè)量的是解剖后試樣中殘余應(yīng)力釋放的整體協(xié)調(diào)應(yīng)變值。對(duì)于表面或厚度方向具有高應(yīng)力梯度的試樣，由于受到應(yīng)變片尺寸的限制(平面切割尺寸至少10 mm×10 mm，厚度方向可以減薄至1 mm)，所測(cè)殘余應(yīng)力的數(shù)值就可能出現(xiàn)高值偏低、低值偏高的現(xiàn)象。

對(duì)于X射線衍射法，組織均勻性和晶粒尺寸是影響測(cè)量結(jié)果的重要因素，在應(yīng)力測(cè)量的試板上取樣進(jìn)行金相分析，金相照片如圖7所示。可以看出：焊縫中心組織為枝晶組織特征，熔合線附近區(qū)域組織為粗晶組織特征，而遠(yuǎn)離焊縫方向的母材區(qū)域具有軋制方向明顯的織構(gòu)。不均勻的金相組織是造成Debye環(huán)不均勻的重要原因，因而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差偏大。此外，該方法的測(cè)量深度小于20 μm，所表征的應(yīng)力范圍也與另外兩種方法有所區(qū)別。

圖7 不銹鋼搭接接頭金相照片

3 結(jié) 論

(1)2 mm+2 mm厚度組合的SUS301L不銹鋼激光非熔透搭接焊接頭殘余應(yīng)力測(cè)量表明：壓痕應(yīng)變法測(cè)量的焊縫附近峰值應(yīng)力較高，縱向應(yīng)力達(dá)到237 MPa，橫向應(yīng)力為124 MPa；全釋放應(yīng)變法測(cè)量數(shù)值偏低，縱向、橫向應(yīng)力峰值分別為155 MPa和55 MPa；X射線衍射法縱向、橫向應(yīng)力峰值為344 MPa和163 MPa，系統(tǒng)給出的測(cè)量誤差高達(dá)80 MPa以上。

(2)壓痕應(yīng)變法的應(yīng)力結(jié)果反映的是被測(cè)試樣近表面0.1 mm深度內(nèi)的平均應(yīng)力；全釋放應(yīng)變是被測(cè)試樣解剖后整個(gè)斷面上的協(xié)調(diào)應(yīng)力；X射線衍射法測(cè)量的試樣近表面20 μm內(nèi)的殘余應(yīng)力，同時(shí)受到晶粒大小和形態(tài)的影響。測(cè)量不銹鋼激光搭接焊接頭殘余應(yīng)力時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇合適的方法，并能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。

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2017-04-20

TG404

李樹(shù)虎，1965年出生，碩士，高級(jí)工程師。主要從事鐵路客車(chē)、動(dòng)車(chē)車(chē)體及轉(zhuǎn)向架的焊接制造研發(fā)工作，已發(fā)表論文10余篇。