铝合金车体焊接残余应力控制技术的发展

仝瑞庆 崔传铭 王忠平 白英浩 巩全军

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266111）

摘要：焊缝中的残余应力会降低焊件的力学性能以及焊接接头的耐腐蚀性能，导致焊接部位产生疲劳裂纹与应力腐蚀开裂，从而影响车体的焊接质量，因此采取有针对性的措施以控制消除焊接残余应力尤为重要。本文讨论了几种焊接残余应力控制技术在铝合金车体制造中的可用性以及其去除残余应力的机理。方法主要包括自然时效，热处理，锤击，喷丸和超声冲击。

关键词：残余应力；铝合金车体；焊接；应力控制

1. 引言

焊接是铝合金车体制造过程中最重要的连接方式，但焊缝中的残余应力会降低接头处的疲劳极限以及耐腐蚀性能等，并且与其伴随的变形不利于车体制造精度的控制。在铝合金构件中，90%的断裂是由焊缝受交变载荷而造成的焊缝疲劳破坏引起，这是因为焊接接头中存在着大量焊接缺陷，这些缺陷构成了应力集中部位，应力在此产生突变从而成为微观裂纹的起源，在交变载荷下成为疲劳源发生地[1]。此外由于焊接接头微观结构的不均质性，使其耐腐蚀性能比母材进一步降低，对于焊接结构而言，在有腐蚀介质的情况下，内在或外在应力会促使腐蚀的发生和腐蚀裂纹的扩展，将会缩短焊接结构的剩余寿命。

因此采取合理的工艺措施以控制焊接接头中的残余应力，对铝合金车体的使用寿命与安全性、可靠性尤为重要。

2. 焊接残余应力的产生

在焊接过程中形成了焊缝处的高温区域以及远离焊缝处的低温区域。焊缝处材料受热膨胀却又受到邻近母材的限制，产生弹性热应力，焊缝处高温区域受热致使屈服极限降低，热应力超出屈服极限的部分导致焊接处的塑性热压缩。冷却后的焊接区域相比周围区域会相对缩短，从而产生残余拉应力，周围区域则产生残余压应力。[2]

3. 残余应力的主要控制方法

残余应力的控制方法主要是让残余拉应力释放或者在表面层引入残余压应力，残余压应力可以明显改善疲劳性能，并防止应力腐蚀开裂。目前释放残余拉应力的措施主要有自然时效法与热处理方法，在表面层引入残余压应力的方法主要有锤击、喷丸、超声冲击等。

3.1自然时效

自然时效法，是指将车体放在自然条件下，使焊接残余应力自然释放从而使残余应力减少的方法。在这种方法下，残余应力下降幅度不大，但对工件尺寸稳定性很好，这是因为车体经过长时间的放置，由于温度的差异和组织结构结晶的延时性，工件尖端附近产生应力集中，发生了塑性变形，松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛使强度提高，尺寸稳定性得到保持。

铝合金车体组焊完毕后，通常会通过自然时效的方法降低车体本身的残余应力。自然时效方法简单易行，但存在生产周期长、占用场地大等问题。[3]

3.2热处理

热处理法是指把结构整体或焊缝区局部，按照一定的升温速度加热到构件金属相变点以下的适当温度，然后进行一段时间的保温，再于可调控的速率下进行降温的方法。

一般材料的屈服应力与弹性模量随加热温度的增加而下降，在加热时，当该温度下的残余应力超过了材料本身的屈服应力，就会发生塑性变形，从而过高的残余应力会被缓和，但是这种消除是有限度的。同时，热处理时效过程还伴随着蠕变，这种机制会引起应力松弛。此外热处理还可以软化硬化区，降低氢致裂纹的产生，提高应力腐蚀能力等。

目前，热处理技术是消除转向架构架焊接应力的重要措施，局部热处理技术被应用在铝合金车体顶棚的长直焊缝处。

3.3锤击

锤击是指使用锤头轻击焊缝及周围区域的方法，可显著降低残余拉应力，也可在锤击处产生残余压应力。从金属学角度，焊缝的一次结晶组织为柱状晶，呈束状排列，导致焊缝处的抗裂能力下降。当焊接后进行锤击处理时，高温结晶状态的晶粒会相互挤压，压实焊缝内部的缺陷如微气孔等，这使焊缝的致密性增强，达到了降低应力集中的目的。此外，锤击打乱了内部晶粒的方向，形成的等轴晶使焊缝的抗变形能力增强，防止了焊缝内部裂纹的产生。

总的来说锤击是一种灵活、经济、实用的消除焊接应力的工艺措施，可以消除50%以上的残余应力。目前，我国生产的各类型动车车体，在保证焊后铝合金结构稳定性的同时，通常都采用锤击的方法消除残余应力。但至今由于它的操作规程主要是建立在经验的基础上，具有较低的质量控制程度。

3.4喷丸强化

喷丸强化是指通过控制各种喷丸工艺参数，使大量弹丸（棕刚玉等）连续高速的冲击到车体外表面，使车体外表面不断产生塑性变形，从而产生外表面强化层与残余压应力层。引入的残余压应力层可有效控制焊缝处的疲劳裂纹，同时大量的冲击压痕也可以平滑焊趾形状的缺陷，减少应力集中，从而进一步提高疲劳寿命。

经过喷丸强化处理后，车体表层的组织结构还会发生一定的变化，如表层晶粒得以细化，当喷丸强度足够高时，甚至可以在表层产生纳米级别的晶粒，表面形貌及粗糙度将发生变化；同时喷丸对车体造成加工硬化，提高车体表面的硬度。

喷丸强化为动车车体与转向架制造过程中应用较为广泛的一道应力消除工序，车体涂装前的工序就是喷丸，可对车体外部的焊缝进行大范围的应力消除。

3.5超声冲击

超声波系统由超声波发生器、换能器、变幅杆组成，超声波发生器将50 Hz交流电转换为大于20 kHz的超声频交流电，换能器将超声频电信号转换为接卸振动，变幅杆与换能器连接，用以放大振动幅度，另外在变幅杆与工件之间施加一定压力，使超声频机械振动作用在焊缝处，这使焊缝表面产生了约10~12mm深度的塑性变形层，并在表面生成0.02~0.1mm可增加耐磨性和耐腐蚀性的白亮层。被超声频的振动有效地改善了焊缝与焊趾的外表形状，表面呈平滑过渡，从而降低了焊接接头处的应力集中，同时接头处的高能态的拉应力转化为低能态的压应力，微观组织得到改善，使接头处的疲劳强度显著提高^[4]。

现有的超声冲击处理技术属于手工操作，同时其具有执行机构轻巧、噪声小、效率高、成本低且节能等诸多优势，可成为一种理想的焊后处理措施。对于高速列车铝合金结构可较容易地实现大面积处理，并可在局部狭小区域进行作业。

4. 展望

通过控制与消除焊缝中的残余应力，可有效提高车体制造质量。从现场适用性而言，自然时效消除的残余应力有限，热处理不适用于车体整体，锤击难以控制锤击质量。喷丸法适用于车身整体的大范围应力改善，局部热处理可在重要焊缝处使用，在下一步可引入超声冲击设备以在喷丸难以达到的位置使用。

参考文献

[1]. 高玉魁, 残余应力基础理论及应用[M]. 2019, 上海: 上海科学技术出版社.

[2]. 邹永丰, 桥钢厚板焊接残余应力数值模拟及试验研究[D], 2017, 成都：西南交通大学.

[3]. 顾春雷, 马凯与赵红伟, 动车组铝合金车体残余应力分布及调控. 机车车辆工艺[J], 2017. 000(002): 1-4.

[4]. 苟国庆, 高速列车中的残余应力[M]. 2015, 成都: 西南交通大学出版社.