九、如何焊接才能減小高強鋁合金薄板結構中的殘余應力？

比剛度和比強度高的鋁合金是航空航天制造業中的一種主要結構材料，該材料要求加工精度較高，成型結構變形小。近幾十年以來，隨著科技進步及國防、民用等需要，質量輕、便于成型及強度足夠的鋁合金薄板及其焊接構件越來越受到重視。但是，在焊接結構中，鋁合金薄板件的焊接殘余應力和撓曲變形較大，嚴重影響使用與后續加工。那么，采用什么方法可以降低焊接殘余應力水平或者均化焊接殘余應力分布呢？

理論與試驗研究表明，焊接殘余應力水平與分布對鋁合金薄板的尺寸穩定性影響很大。在焊接過程中，鋁合金薄板件的焊接殘余應力越大，引起的撓曲變形也越大。較大的焊接變形不但影響其使用性能與后續加工，甚至可能造成焊接結構的直接報廢。因此，減小焊接殘余應力已成為鋁合金薄板及其薄板焊接結構面臨的主要問題之一。

目前，降低薄板焊接結構中殘余應力的有效方法之一是“預應力法”。“預應力法”就是在鋁合金薄板焊接過程中，在其被焊接構件的兩端整體施加平行于焊縫方向的預拉力。

例如，為降低焊接殘余應力和撓曲變形，有研究者就采用該“預應力法”收到了較好的防變形焊接效果。

研究者試驗中采用的是經水浴淬火后隨爐退火的2A12高強鋁合金薄板，尺寸為400mm×220mm×4mm，其σb、σ0.2分別為430MPa、300MPa。焊接時，沿板縱向中心線采用熔化極氣體保護鎢極氬弧焊（TIG焊）焊接，焊接電流為100A，電弧電壓為12V，焊接速度為300mm/min。在焊前及焊接過程中，在薄板兩端沿平行于焊縫方向整體施加一低于材料屈服極限的預加拉應力，預應力σF大小分別為0、0.4σ0.2與0.8σ0.2。

然后，研究者采用10MPa的XRD型應力測量儀對焊接后焊縫上及垂直于焊縫方向的殘余應力進行測量，并使用GLOBALSTATUS575型三坐標測量機對鋁板表面變形情況進行測量，三坐標測量機的最大允許探測誤差為2.5μm。焊前經測試，退火試樣表面殘余應力水平處于20MPa以內，對后續的焊接影響較小。因此，“預應力”效果可通過焊接后試件直接測量分析。為便于X射線衍射殘余應力測試，焊接后焊縫上需經細砂紙輕輕打磨。不同“預應力”條件下焊縫及垂直于焊縫方向的縱向表面殘余應力分布如圖1-2所示。由圖1-2可見，隨著“預應力”的增大，焊后殘余應力幅值降低且較早趨于平緩分布，焊接影響區域減小，說明研究者采用的“預應力法”對控制殘余應力水平及分布是非常有效的。當σF=0.4σ0.2時，焊縫中心殘余應力下降34％，殘余壓應力平均水平由35MPa下降至20MPa左右（與試樣初始殘余應力水平相當），焊接影響范圍下降至距離中心線30mm處；而當σF=0.8σ0.2時，焊縫中心殘余應力下降52％，殘余壓應力平均水平由35MPa下降至20MPa（與試樣初始殘余應力水平相當），焊接影響范圍下降至距離中心線20mm處。

在不同“預應力”作用下焊接薄板撓曲變形量分布如圖1-3所示。由圖1-3可知，隨著“預應力”的增大，垂直于焊縫方向的撓曲變形量逐漸減小且趨于緩和。當σF=0.4σ0.2時，平均變形量由3.9mm下降至1.9mm，降幅超過51％；而當σF=0.8σ0.2時，平均變形量下降71％，且分布非常平均。

圖1-2　不同預應力下焊接薄板縱向殘余應力分布

圖1-3　不同預應力下焊接薄板撓曲變形量分布

焊接過程中及焊后應力下降的主要原因與構件中最大殘余應力和最小殘余應力的差值以及構件潛在尺寸變形線性相關。通過對薄板施加“預應力”，可以改變焊接快速加熱與快速冷卻過程中熱應力引起的應力應變分布特征，可部分抵消焊縫及其附近區域熱膨脹過程中產生的壓應力，故在后續的冷卻中可降低殘余拉應力水平。應力的重新分布進一步使遠離焊縫區域的壓應力區減小，且使該處的應力水平也相應有所下降。

實質上，相關研究表明，焊接過程中殘余應力對構件的尺寸穩定性影響最大，故控制焊接結構中的殘余應力幅值并使其均化分布，則構件的撓曲變形將得到控制。對于高強鋁合金焊接薄板件，降低殘余應力水平與均化殘余應力分布是保證構件尺寸穩定性的重要手段。而且，引入“預應力”可顯著控制焊接殘余應力幅值并減小焊接影響區范圍，可明顯均化應力分布狀態及大幅減小板試件的撓曲變形。