疲劳加载下A7N01铝合金焊接残余应力演变研究

邵光学，柯 杨，岑升波

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

疲劳加载下A7N01铝合金焊接残余应力演变研究

邵光学1，柯 杨2，岑升波2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

采用超声法研究A7N01铝合金焊接接头的残余应力分布及其在疲劳加载过程中的变化。A7N01铝合金焊接接头的残余应力峰值出现在焊缝区域，且为拉应力，母材区的残余应力为压应力。在低应力水平下，焊接接头焊缝区的残余应力值先增大后减小，应力的释放率与外加应力以及自身残余应力水平有关。外加载荷越大，焊接接头的残余应力释放越多，焊缝区的残余应力峰值降低，但100 MPa以下的应力不能释放母材区的残余应力。

A7N01铝合金；焊接接头；残余应力；疲劳加载

0 前言

焊接过程中出现残余应力无法避免，焊接后调修的不同工艺也会造成残余应力大小和分布的不同，而很多疲劳现象都与残余应力有关[1-3]，例如疲劳裂纹的形成与扩展、少数极高应力、平均应力、加载次序、裂纹迟滞效应、缺口应力集中等。承受疲劳载荷的零件，若存在压缩残余应力，会提高零件的疲劳强度，若存在拉伸残余应力，则会降低疲劳强度。残余应力是影响疲劳的一个重要因素，外部载荷和内部残余应力的双重作用通常导致焊缝区和近缝区产生裂纹[4-6]。研究和实践表明，焊接接头的疲劳破坏一般起裂于焊接接头的焊趾部位（即母材与焊缝的过渡处）[7-9]。在循环载荷作用下，零件上的残余应力大小和分布会发生显著变化。因此，研究残余应力的大小和分布以及残余应力与疲劳之间的关系对于评价结构的疲劳强度具有重要意义。

本研究旨在考察A7N01铝合金焊接接头在循环疲劳加载下，试验循环不同周次下的残余应力变化，从而获得残余应力在不同循环周次下的演变规律。

1 试验材料和方法

试验材料为A7N01S-T5的MIG焊（熔化极惰性气体保护电弧焊）焊接试板加工为疲劳试件，试件尺寸如图1所示。

图1 试验件的尺寸

采用超声波残余应力仪（HT1000）测试焊接接头疲劳试样的残余应力，测试位置如图2所示，自焊缝中心起共布置9个测试点，其中1～7号测点间距5 mm，7～9号测点间距10 mm。

图2 焊接接头疲劳试样残余应力测试布点

试样在低频液压脉动疲劳试验机上（型号PWS-100）进行疲劳加载，应力比R=0，加载载荷分别为35MPa、80MPa和100MPa，加载力按正弦曲线变化。在试验循环 0、1、103、104、105、106等周次时，在 9个测试点分别测试残余应力。

2 循环载荷下焊接接头残余应力演变规律

2.1 加载35 MPa下焊接接头残余应力变化

35 MPa循环应力下焊接接头残余应力随循环次数的变化曲线以及各测试点残余应力随循环次数的变化曲线如图3所示。

图3 加载应力35 MPa下焊接接头残余应力

焊缝区域的残余应力最大，且为拉应力，峰值82.29 MPa出现在焊缝中心。随着与焊缝中心距离的增加，残余应力减小，在母材区为负值压应力，残余应力的分布符合一般焊接接头的残余应力分布趋势。经过1次循环作用，试样的残余应力分布发生了一定的变化，各个测试点的残余应力峰值不同程度增大。经过2 200次循环作用后，焊缝区和距焊缝区5mm、10mm和15mm处，呈拉应力且峰值继续增大，而远离焊缝的母材区25 mm、30 mm、40 mm和50 mm处，呈压应力且峰值减小向0点靠近。经过10000次循环作用，焊缝区和靠近焊缝区的5mm、10 mm和15 mm处，各点残余拉应力峰值减小，向0靠近，距焊缝较远的母材区25 mm、30 mm、40 mm和50 mm处，压应力峰值较2 200次循环下有所增大。经过105次循环作用，试样的残余应力分布变化与104次循环作用后的分布变化相反，焊缝区和靠近焊缝区的峰值小幅增大，但是均未超过最大值，母材区峰值再次减小向0点靠近。经过106次循环后，试样残余应力的变化趋势为焊缝区和近焊缝区残余应力峰值减小，母材区残余应力峰值增大，压应力较大。107次循环后比106次循环后的残余应力分布更靠近0点，峰值较疲劳加载前有较大幅度的降低（最大降低45 MPa，残余应力释放率83%），分布更加均匀，而母材峰值增大，压应力增大。在疲劳中，压应力能抑制裂纹的萌生和扩展，有利于延长试样的疲劳寿命。

2.2 加载80 MPa下焊接接头残余应力变化

80 MPa循环应力下焊接接头残余应力随循环次数的变化曲线以及各测试点残余应力随循环次数的变化曲线如图4所示。

图4 加载应力80 MPa下焊接接头残余应力

焊缝区（0 mm、5 mm、10 mm 处）为拉应力，峰值出现在熔合线和焊缝中心之间（5 mm处），未加载应力前的最大峰值为71.97 MPa。母材区域为压应力。经过1次循环作用后，焊缝区0 mm、5 mm和10 mm处峰值降低，向0靠近；母材区40 mm处残余压应力峰值减小，而其他测点的峰值增大，压应力增加。经过2 200次循环后，试样的残余应力值都向负值偏移，焊缝区的残余应力仍为拉应力，但峰值下降。母材区的残余应力仍为压应力，但峰值增加。经过104次循环后，焊缝区域各点拉应力峰值增大，母材区域压应力峰值减小。经过105和106次循环后，试样的残余应力分布相对于104次循环下的变化不大，各点的残余应力都比较稳定，应力没有再释放。整体上看，经过2 200次循环焊缝区应力得到释放，而母材区没有得到释放，104次循环后，试样的残余应力没有再得到释放。

2.3 加载100 MPa下焊接接头残余应力变化

100 MPa循环应力下焊接接头残余应力随循环次数变化曲线以及各测试点残余应力随循环次数变化曲线如图5所示。

焊缝区域（0 mm、5 mm、10 mm处）为拉应力，峰值出现在熔合线和焊缝中心之间（5 mm处），在未加载应力之前最大峰值为106.17 MPa，母材区为压应力。经过1次循环作用后，焊缝区（0 mm、5 mm、10 mm）为拉应力，峰值小范围增大。母材区各点波动范围也不大，其中20 mm、25 mm处残余应力几乎没有变化，而30 mm、40 mm和50 mm处残余应力的压应力峰值增大。经过2 200次循环作用后，焊缝区和母材区各点残余应力值都比较稳定，几乎没有变化，残余应力没有得到释放。从104次循环开始，焊缝的残余应力降低，焊缝区域的残余应力逐步得到释放，峰值直线下降，焊缝中心残余应力值从106.17MPa下降至34.81MPa，释放率为67.2%；距离焊缝中心5mm处的残余应力从102.33MPa下降至36.1 MPa，释放率为64.7%；距离焊缝中心10mm处残余应力从85.42 MPa下降到29.38 MPa，释放率为65.6%。母材区的残余应力为压应力，与未加载应力时相比，106次循环后残余应力的峰值变化不大，随着循环次数的增加，压应力缓慢增大，母材各点的残余应力在-40～-20MPa波动，母材区的残余应力在100 MPa作用下，经过106次循环残余应力并未得到释放，甚至略微增大。

2.4 循环载荷下焊接接头残余应力变化

在焊接过程中，焊接热输入引起材料不均匀的局部加热，熔化焊缝区，而毗邻熔池的高温区材料的热膨胀受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形，在冷却过程中，已发生塑性变形的材料（如长焊缝的两侧）又受周围条件的制约而不能自由收缩，在不同程度上被拉伸，从而形成残余拉应力[10]。同时熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也会产生相应的拉应力,而母材在试样的自身相平衡内应力下为压应力。残余应力从微观上来说来源于位错造成的晶格畸变而引起的弹性应力场，若外加应力与焊接残余应力叠加后超过材料的屈服强度，则会产生局部塑性变形，导致焊接残余应力得到释放并重新分布，降低残余应力峰值。但由于循环工作载荷下焊接残余应力的松弛较为复杂，其松弛条件需要进一步确定。

图5 加载应力100 MPa下焊接接头残余应力

焊接接头在35 MPa循环应力作用下，不同循环次数下试样的残余应力分布一直在波动，残余应力峰值先增大后降低。最终的残余应力与未加载应力时相比，焊缝区域的残余应力得到一定的释放，峰值降低，平均降低40 MPa。母材区域始终呈现残余压应力，且压应力峰值逐渐增大，最终比未加载时压应力峰值增加25 MPa。7N01的母材屈服强度为285～300 MPa，热影响区的屈服强度约为200MPa，焊缝的屈服强度约为180MPa。在35MPa载荷下，开始外加应力与焊缝残余应力相叠加并未超过接头的屈服强度，焊缝区域无局部的塑性变形，焊缝残余应力得不到释放。但是在外加载荷的循环往复作用下，位错随之产生运动、增殖、塞积和缠结，因为外加应力较小，位错被钉扎而没有足够的能力使之开动，导致晶格畸变越发严重而引起弹性应力场增大，使得焊缝区域在循环前期残余应力增大。当出现某个微区的屈服强度小于由外加动应力导致的位错群应力场和由残余应力引起的源位错的应力场时，塞积得以开通，材料产生微观塑性变形，残余应力得到释放。而母材区域的屈服强度很大，且位错钉扎引起循环硬化效果有限，不足以使母材区域发生局部屈服，应力未得到释放，但位错群应力场增大而峰值略微上升。

焊接接头在80 MPa循环应力作用下，焊缝区域的残余应力在1次和2 200次循环后均明显下降，应力得到释放，但是104次循环后，焊缝区域残余应力表现为小幅度增长后保持稳定，未继续释放。而母材区域的残余应力仍为压应力，并且应力值变化不大，应力未得到释放。在1次和2200次循环时，焊缝区域焊接残余应力与循环应力之和超过了初始屈服强度，焊缝局部发生塑性变形，焊接残余应力发生松弛，应力得到释放。在104次循环后，残余应力值不再发生太大变化，这是因为在外加循环应力下，由位错运动、增殖和缠结引起的残余应力增大和焊缝区域位错缠结的开动与局部发生塑性变形应力释放的效果相抵消，导致焊缝区域的残余应力在随后循环作用下没有太大变化。而母材区域的残余应力为压应力，与外加应力相抵消，不能使母材发生屈服，因而不能减小其残余应力峰值，反而在位错的增殖缠结和材料应力的自平衡作用下峰值有所增大。

焊接接头在100MPa循环应力作用下，经过1次循环时，焊缝区域残余应力峰值增大，母材区域值稳定不变。经过2 200次循环后，焊缝区域的残余应力直线下降，热影响区残余应力由拉应力变为压应力，母材残余应力仍为压应力且略有增大，试样整体的残余应力在2 200次循环后逐步释放，焊缝区域的残余应力值平均降低40 MPa。100 MPa的循环应力作用下，焊缝区域焊接残余应力与循环应力之和超过了初始屈服强度，焊缝局部发生塑性变形，焊接残余应力发生松弛，应力得到释放，并且由于外加应力较大，在随后的循环作用下与残余应力相叠加使焊缝区域局部发生塑性变形，残余应力不断释放。热影响区的残余应力与外加应力也超过了该处的屈服强度，使得应力得到释放，而残余应力峰值的下降改变了内应力场，试样内部应力降低并重新分布，导致热影响区残余应力由拉应力变为压应力。母材区域外加应力与残余应力叠加之和仍未超过其屈服强度，不能使残余应力释放，残余应力的峰值波动不大。

3 结论

（1）A7N01铝合金焊接接头的残余应力峰值出现在焊缝区域，且为拉应力，母材区域的残余应力为压应力。

（2）在加载载荷较低应力水平下，随着循环周次的增加，焊接接头焊缝区域的残余应力值先增大后降低，应力的释放率与外加应力和自身残余应力水平有关。

（3）外加载荷越大，焊接接头的残余应力释放越多，焊缝区域的残余应力峰值降低，但是100 MPa以下的应力不能释放母材区域的残余应力。

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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

本文参考文献引用格式：邵光学，柯杨，岑升波.疲劳加载下A7N01铝合金焊接残余应力演变研究[J].电焊机，2017，47（10）：71-75.

2017-05-25；

2017-07-19

邵光学（1977—），男，高级工程师，本科，主要从事高速列车铝合金车体焊接结构工艺及性能研究工作。E-mail：xmwang991011@163.com。