铝合金的焊接变形和应力

铝合金的焊接变形和应力西南交通大学焊接研究所一、焊接应力与变形概述•焊接变形和应力不仅会影响外观尺寸精度，还会影响结构的强度，结构的安全可靠性。•在高速列车中车体焊接中铝合金薄板环境中一个比较突出的问题就是其焊接变形和应力问题。•铝合金的焊接特点：线膨胀系数高，热导率快，因此热影响区宽，变形大。二、铝合金焊接接头应力X射线衍射法原理：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用X射线，以掠角入射到晶体表面时，如果能满足2dSin=n，则X射线在反射方向因干涉而加强缺点：用设备昂贵对被测表面要求高，所只能测表面应力.2.1应力释放法3.小孔法：是应力破坏性最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推算小孔处的应力。对接板的焊接残余应力分布图2焊接接头的残余应力分布对接板的焊接残余应力分布：用小孔释放法测得5mm厚919（Al-Zn-Mg合金）MIG焊对接焊接接头的残余应力分布如图2a。拉应力峰值在熔合线导热影响区，而焊缝很低，热影响区外为压应力。在300℃消除应力退火后拉应力和压应力都有所减少。在低碳和低合金钢中，主作用区的峰值应力一般都达到屈服极限，而我们测出的峰值要低于屈服极限。中空型材的焊接残余应力分布：用小孔释放法测得5mm厚高38mm的6061（Al-Zn-Mg合金）中空型材MIG焊搭对接焊接接头的残余应力分布如图2b。由图看出其先焊面的分布规律与板对接相似，但峰值区较窄，与之相平衡的压应力较小；在焊第二面时全部是压应力，这与先焊面的初始应力有关。可见铝合金的焊接残余应力特别是铝合金结构的焊接残余应力的分布规律，有待进一部研究。国外试验结果分析：马佐拉尼对法国几种材料用Al-Mg5焊丝焊接接头测试结果如表1。由表1看出：5000系列铝合金的焊接残余应力较高但也只有母材屈服强度的66-67%；2000和7000系列铝合金的焊接残余应力较低，只有24-32%。因为焊缝的屈服强度低于母材，所以残余应力水平相对较高。表1法国几种材料用Al-Mg5焊丝焊接接头残余应力测试结果材料σ0.2（MPa）残应力σrmax（MPa）残余应力水平σrxmax/σ0.2合金对接板尺寸（mm）母材焊缝+焊区-远区焊区/母材焊区/焊缝-远区/母材508510*160*700150132100450.670.750.30702012*160*70028015090300.320.600.11207016*200*80034019582220.240.420.06508625*320*900160145145390.660.720.23702025*320*90036222090450.250.410.14铝合金与其它金属焊接残余应力的比较：如表2所示，低C钢、奥氏体不锈钢和非热处理强化铝合金LF6（Al-Mg）其焊区焊接残余拉应力峰值可达到材料屈服强度。但热处理强化的铝合金LY12（Al-Cu-Mg）其焊区焊接残余拉应力峰值低于材料屈服强度，与工业钛相当，达60%，略高于钛合金的56-57%。表2铝合金与其它金属焊接残余应力的比较材料应力低C钢奥氏体不锈钢铝合金LF6（Al-Mg）铝合金LY12（Al-Cu-Mg）工业钛TA1钛合金TC1钛合金TC4σ0.2（MPa）240300170300500650900σrxmax（MPa）240350160180300370500σrxmax/σ0.211.171.030.600.600.570.56三、铝合金焊接构件的焊接残余应力分析•3．１铝合金焊接构件的焊接残余应力简化分析方法焊接残余应力分布及其简化如下图。与钢的箱形构件四角棱角焊不同，铝合金箱形构件为搭对接的箱形构件如图a，这是在铝合金高速列车车体和构架常用的接头形式，这样的箱形构件抗弯刚度特别是抗扭刚度好，图a中上图为实测焊接纵向残余应力分布，在焊缝区为拉应力，其它区为压应力；根据应力形成规律作规一化处理如下图实线，为了便于计算，根据规一化处理的应力分布图矩形化用虚线表示，并可得出应力分布宽度和应力水平（相当于σ0.2的倍数）。图b和图c为两种常用的工字形构件，其残余应力分析过程与前述箱形构件相同，其结构材料和尺寸相同，图c为常规的三块板角焊缝组成，图b为两块带筋的盖板与腹板对接，残余应力比图c低得多，而且盖板全为压应力；图c不只焊缝区拉应力高，腹板压应力也高，两块盖板上的拉应力和压应力都高，这将大大降低构件的承载能力和疲劳和脆断强度。因此，合理设计结构形式和构造，合理布置焊缝是降低焊接残余应力及其影响和合理利用焊接残余应力的重要途径之一。3.２铝合金焊接构件的设计特点由图3看出，不管是搭对接、对接或角接，都是焊接区出现较大的拉伸残余应力，相邻区出现压缩残余应力达到内力平衡，但都可以简化如图3a、3b和3c。实际上焊接结构的残余应力分布都可视为板中加热、板边加热和相互的组合，都可作出其各种构件的残余应力分布。由简化图可得出峰值应力区的宽度b和峰值应力水平h（用残余应力峰值σrmax与母材或焊缝的σ0.2的比值表示）。可以认为是残余应力峰值区的收缩力PS与相邻区的反作用力的平衡，收缩力PS与焊接线能量qL有关，而焊接线能量与焊缝的熔敷金属截面Aw所决定，即PS=KqL=ΦAw英国规范规定5000系列铝合金Φ=5，6000和7000系列铝合金Φ=2.5由此可参考试验结果来修正线能量变化对b和h的影响。b和h的大小是确定焊接接头及焊接结构承载能力的基础。图3焊接接头及结构残余应力分布四、铝合金焊接焊接残余应力对结构强度的影响铝合金焊接焊接残余应力对结构强度的影响加图4。以对接板的焊接焊接残余应力分布为例，各区的残余应力水平与工作应力叠加，同号相加，异号相减，由此来确定焊接接头及焊接结构承载能力。拉伸加载时的影响图4a-d为与焊缝相同方向加拉伸载荷，当峰值拉应力区与工作应力叠加达到焊缝和加热区的σ0.2后则失去承载能力而产生拉伸塑性变形，当拉伸塑性变形达到极限后可能启裂并扩展，如塑性及韧性储备大则对承载能力无影响，卸载以后残余应力有所降低，由于应力重分布而产生缩短次变形，过载去应力和振动加载去应力的原理即基于此。另外焊接加热区焊缝及软化区的强度要比母材低；同时超出无损探伤灵敏度和精度的缺欠和焊趾过渡引起的应力集中而产生的应力增加；因此焊接接头强度设计时都必需充分考虑。压缩残余应力对拉伸加载是有利的，不必考虑其对结构强度的影响。压缩加载时的影响在薄板焊接中，由于薄板结构的σｃｒ低，在焊接中产生的压应力只要达到该区的σｃｒ，就会产生焊后的失稳波浪变形，这是高速列车这类薄板结构焊接时最伤脑筋的事情。在一些较厚板或构件焊接中焊后不会出现失稳波浪变形，但在加上压缩载荷，如图4ｅ-ｉ所示，如与焊缝相同方向加压缩载荷，当焊缝和加热区的峰值拉应力与工作压应力叠加，对结构强度是有利的，但相邻压应力区的峰值压应力与工作压应力叠加，达到σｃｒ后则失去承载能力而产生失稳变形。图4焊接残余应力对结构强度的影响五、焊接残余应力的控制六、焊接变形铝合金车体焊接变形控制技术采取合理的焊接顺序焊接顺序由原来的（1、3）-（2、4）-5-6改为（1、5）-（2、4）-3-6图中1、2、3表示增加不同厚度的反变形垫块工厂里采取的控制变形措施调修工艺控制变形T1M1M2控制前变形量354038控制后变形量101210七、低应力无变形新技术7.1静态低应力无变形法低应力无变形焊接法是关桥院士及其团队创建的并成功用于航空航天薄板焊接结构的新技术。图6a为薄板焊接时采用的低应力无变形法的装置，装置中部与焊缝及加热区位置处设置水冷铜垫，两侧放加热原件，并用琴键式夹具压紧，这样就对焊件造成预置一可控温度场T如图6b，造成应力场提供特殊的拉伸效应，在焊接过程中一直随焊接热源对其热应变进行实时控制直到焊接结束，最后不发生失稳变形和只有很少的残余应力。此法已成功用于钢、不锈钢、耐热钢、铝合金、钛合金的薄板焊接。图6c为铝合金低应力无变形焊接法的效果，在焊件夹持和工艺相同的情况下，一般焊接方法的和σx用实线表示，低应力无变形焊接法用虚线表示，由此看出和σx已降至最小，达到了低应力无变形的目的。图6铝合金低应力无变形焊接的原理及效果预置温度场只是实现低应力无变形（LowStressNoDistortion）焊接的必要条件——在焊缝区有温差拉伸效应，它跟随焊接热源，并在熔池前后控制着焊接热应变和应力的产生和发展，直至焊后，在室温条件下达到残余状态；而有效地防止薄壁工件的瞬态面外失稳变形，避免温差拉伸效应减弱和内应力场势能降低，则是达到在焊后低应力无变形效果的充分条件。在工程应用中，双支点加压系统提供了所要求的拘束条件，杜绝了面外瞬态失稳。这样，在LSND焊接法中，既有必要条件又确保了充分条件，二者相辅相成，实现了控制薄壁焊接应力与变形中的新突破；在完成焊接后，工件保持完全无变形的状态，平整如初。7.2多源动态低应力无变形法多源动态控制低应力无变形法的图9-35c为薄板焊接时采用的多源动态控制低应力无变形法，其方法的实质是在焊接电弧后一定距离L加一冷源（热沉）降温（例如喷水），高温金属在急冷中拉伸，补偿焊缝区的塑性变形而达到无变形和低应力的效果，当距离L变近时甚至有可能在焊缝区形成压应力；这种方法不只可作到低应力无变形，还可提高铝合金和不锈钢焊缝及加热区的性能。图7多源动态控制低应力无变形法