残余应力对薄板激光搭接接头力学性能的影响

残余应力对薄板激光搭接接头力学性能的影响

梁 行1,2， 姜云禄1， 陈怀宁1， 阚 盈1

(1. 中国科学院金属研究所,沈阳 110016; 2. 中国科学技术大学 材料科学与工程学院，合肥 230026)

摘 要： 针对不锈钢薄板熔透和非熔透型激光搭接焊，以80和10 mm作为考虑和不考虑残余应力影响的试样宽度，对两种宽度试样进行一系列的拉伸和疲劳试验，获得了焊接残余应力对薄板搭接接头力学性能的影响规律，进行了有关机理分析. 结果表明，搭接焊缝正、背面存有较大的纵向残余拉应力和较小的横向残余压应力；残余应力的存在会降低搭接焊接头的拉剪强度和疲劳强度. 改变激光入射角和搭接间隙，残余应力对拉剪强度的降低程度随之改变：增大入射角至20°，熔透型接头降低程度达到0°时的7倍，而非熔透型为10倍；搭接间隙在一定范围内增大时，残余应力对拉剪强度的降低程度也随之加剧.

关键词： 激光搭接焊；残余应力；拉剪强度；疲劳强度

0 序 言

对于高速轨道客车制造，在满足车体强度、刚度的要求下，采用不锈钢可以大大减小板厚. 而侧墙的薄板搭接结构组焊至关重要. 激光焊具有能量密度高、变形小、密封性好等技术优点[1-2]，可有效改进先前采用电阻点焊和电弧焊技术所存在的不足. 为此，国内外学者针对各种搭接板厚组合适用的工艺参数进行了优化，可保证一定的接头力学性能.

在强烈的客车提速需求下，确保车体结构安全性仍是重中之重，焊接残余应力在一定程度上会影响焊接结构的承载能力和服役寿命[3]，其对T形接头、对接接头和角接接头力学性能的影响与机理已被较为深入地研究[3-4]. 然而，关于焊接残余应力对搭接焊接头力学性能影响的研究工作仍较为少见. 阚盈等人[5-6]通过试验确定了不锈钢薄板激光搭接焊拉伸剪切试样和疲劳试样在考虑和不考虑残余应力影响时合理宽度分别为80和10 mm，并排除了试样宽度对拉剪强度的尺寸效应.

在工程应用和理论研究的共同需求之下，从残余应力对激光搭接接头力学性能的影响出发，并以阚盈等人[5-6]所做的工作为基础，研究了残余应力在不同类型的搭接结构中对拉剪强度和疲劳性能的影响，并探究了改变激光入射角或搭接间隙时残余应力对拉剪强度的不同影响效果.

1 试验方法

根据高速列车车体侧墙结构的实际情况，选取不同冷轧状态的SUS301L奥氏体不锈钢作为搭接焊的上、下板，其力学性能如表1所示.

表1 冷轧SUS301L板材的力学性能

Table 1 Mechanical properties of SUS301L plate

材料类型屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)疲劳极限σ-1/MPa301L⁃HT≥660≥85027．4359301L⁃ST≥410≥78035287．5EN1．4318⁃2G≥350≥75035300

采用德国IPG公司生产的YLR-10000光纤激光器，最大输出功率10 kW，焦距300 mm，离焦量设置为0[7]. 选择氩气保护，实际流量为13 L/min，管径8 mm，45°倾斜前吹，试验装置如图1a所示. 定义激光束与搭接板法线方向夹角为激光入射角.

用自制夹具将厚度为t1,t2的上下板(550 mm×90 mm)以30 mm的搭接长度夹紧，设置间隙采用搭接界面加间隙片的方式，参考已有车体生产的部分工艺参数完成激光焊接，采用自行研制的超声C扫描设备探伤，确认每组试样有稳定的中间熔宽和熔深. 各组激光焊工艺参数如表2所示.

在确保焊接质量基础上，根据文献[5-6]将各组搭接焊试件垂直于焊缝线切割为10和80 mm宽的拉伸剪切、疲劳试样，为防止试样在试验过程中偏心，在上下板焊相应厚度的垫板. 搭接板具体尺寸、试样的切取方式、对中垫板设置方式以及焊缝形貌参数如图1b所示,其中e为搭接焊试样长度，l和l′为试样宽度(10或80 mm).

图1 试件制取及尺寸

Fig.1 Preparation and dimensions of specimen

表2 激光焊接工艺参数

Table 2 Laser welding parameters

组别编号板厚组合(材料类型)t1+t2/mm类型激光功率P/kW焊接速度v/(mm·s-1)入射角度α/(°)板间隙g/mm11．5(HT)+1．5(HT)熔透4．0600021．5(HT)+1．5(HT)熔透4．06020031．5(ST)+2．0(2G)非熔透2．8550041．5(ST)+2．0(2G)非熔透2．85520052．0(2G)+2．0(2G)非熔透3．5600062．0(2G)+2．0(2G)非熔透3．56000．0572．0(2G)+2．0(2G)非熔透3．56000．11

焊接残余应力测量采用全释放法[8]，应变片型号为BE120-05AA-A，栅长0.5 mm. 切割时尽量控制较小的试块尺寸，切割边缘距离应变片约2 mm.

拉伸剪切试验采用Zwick Z150型电子万能试验机. 疲劳试验采用MTS810电液伺服万能材料试验机，在室温环境下以第5组中80和10 mm宽的试样分别作6个应力等级下的拉-拉剪切疲劳试验，载荷等幅正弦曲线变化，应力比r为0.1，试验频率为35～40 Hz，设定条件疲劳极限对应循环周次N为107. 采用LEO SUPRA35型扫描电镜进行断口观察.

2 试验结果与分析

2.1 焊接残余应力的测量结果

各组中分别随机选择一个80 mm宽试件测量焊缝正反面的焊接残余应力. 发现同样板厚组合在相同激光功率和焊接速度下焊缝处残余应力基本相同. 其中，非熔透型上搭接板焊缝处纵向残余拉应力接近母材屈服强度的一半、横向残余压应力极小，下板焊缝背面附近应力稍小于上板；熔透型焊缝处正反面的纵向残余拉应力均接近母材屈服强度的一半，横向残余拉应力较非熔透时略大，具体见表3～表4.

表3 熔透型(1.5+1.5)和非熔透型(1.5+2)拉剪试验数据

Table 3 Tensile-shear test data of penetration (1.5+1.5) and non-penetration (1.5+2) laser welding

组别编号类型试样宽度l/mm拉剪强度τ/MPa拉剪强度平均值τ/MPa80mm试样焊缝残余应力σ/MPa正面纵/横向背面纵/横向1熔透10828726783779344/-38367/-35807707757117522熔透10957979990975323/-35338/-32807028406757393非熔透10602579608596236/-32158/-48805516095855824非熔透10649642701664219/-32173/-7880542527455508

表4 不同搭接间隙时非熔透型(2+2)拉剪试验数据

Table 4 Tensile-shear test data of non-penetration (2+2) with different overlap gaps

组别编号类型试样宽度l/mm拉剪强度τ/MPa拉剪强度平均值τ/MPa80mm试样焊缝残余应力σ/MPa正面纵/横向背面纵/横向5非熔透10844771869828155/30168/-35807147707727526非熔透10602688736675170/-20165/-32805744896565737非熔透10714818766196/14155/-7380658544601

2.2 拉伸剪切试验结果对比

由于焊缝中间熔宽比上下搭接板厚均要小，每组均从上下搭接板间焊缝处被拉断. 分别测量拉断后每个试样两板结合处的中间熔宽值，根据式(1)计算试样的拉剪强度,即

τ = Fm/(a·l)

(1)

式中：Fm为拉断过程最大作用力；a为两板结合处的中间熔宽值；l为试样宽度.

2.2.1 不同入射角情况下残余应力的影响

选取第1，2组和第3，4组试验分别作为熔透和非熔透情况下的研究对象，探究残余应力在不同入射角情况下对拉剪强度的影响. 其中，熔透试样的下搭接板被烧穿，非熔透试样的下搭接板外侧无明显焊痕，试验数据如表3所示. 可以看出各组不含焊接残余应力试样的拉剪强度比含有残余应力时要高. 0°入射角时，熔透型搭接结构中残余应力使平均拉剪强度降低了3.47%，非熔透型时降低了2.35%；20°入射角时，熔透型中残余应力使平均拉剪强度降低了24.21%，非熔透型时降低了23.49%.

从同为熔透型但不同入射角度情况的对比可以看出，20°入射角时残余应力降低平均拉剪强度的程度约是0°入射角时的7倍；同为非熔透型时，更达到近10倍.

综上所述，无论熔透还是非熔透型，激光搭接焊结构中的残余应力均会降低拉剪强度. 尽管熔透型薄板搭接焊结构中存在的焊接残余应力较非熔透情况更大，但激光入射角相同时两种焊缝类型中的残余应力对拉伸剪切性能降低程度基本一致.

2.2.2 不同搭接间隙情况下残余应力的影响

选取非熔透型的第5～7组试验作为研究对象，探究残余应力在不同搭接间隙情况下对拉剪强度的影响程度. 第6,7组焊后实测间隙分别为0.05和0.11 mm. 试验数据及80 mm宽试样所含残余应力峰值如表4所示,可以看出0 mm间隙时，残余应力降低了平均拉剪强度的9.18%；0.05 mm间隙时，残余应力降低了平均拉伸剪切强度的15.11%；0.11 mm间隙时则降低了21.54%.

综上所述，对于搭接焊结构，间隙的存在会降低拉剪强度，残余应力对拉剪强度的影响存在搭接间隙时更为明显. 同样焊接工艺参数情况下，随着搭接间隙变大，残余应力变化并不明显，但拉剪强度降低的程度更大.

对比3组和5组可以看出，残余应力对拉剪强度的降低程度同时与板厚、材料强度等因素有关. 至于试样宽度尺寸效应，文献[5]已经证明80和10 mm没有差别.

2.3 两种宽度下的疲劳试验结果

对于80和10 mm两种宽度的疲劳试样，采用6个应力等级，每个应力等级使用2～3个试样进行疲劳试验. 由于疲劳试样从下搭接板焊趾处断裂，无法量取准确的焊缝中间熔宽值，故以单位长度上载荷幅值△F/l为纵坐标，循环周次N为横坐标绘制10 mm宽(不含残余应力)和80 mm宽(含最大值残余应力)两种试样宽度的疲劳曲线. 第5组试样(2 mm+2 mm)的疲劳试验结果如图2所示.

图2 两种宽度(2 mm+2 mm)非熔透型试样的疲劳强度

Fig.2 Fatigue strengths of non-penetrating specimens with 80 mm and 10 mm width

从图2可以看出，焊接残余应力的存在降低了疲劳强度，即由无应力情况下的条件疲劳极限108 N/mm降低到90 N/mm，降低了16.67%.

考虑到尺寸因素可能对疲劳性能带来影响，将第5组的80和10 mm宽两种疲劳试样同时进行900 ℃/1 h退火处理，经过退火消除应力的试样再进行相同条件下的疲劳试验，结果如图3所示，两种宽度的疲劳强度差别极小. 综上所述，对于非熔透型激光搭接焊结构，残余应力会明显降低疲劳强度.

图3 退火消除残余应力后两种宽度(2 mm+2 mm)非熔透试样疲劳强度

Fig.3 Fatigue strengths of non-penetrating specimens (2 mm+2 mm) with 10 mm and 80 mm width after stress-relief treatment

2.4 两种宽度试样拉剪、疲劳断口分析

以第3组为例，观察10和80 mm拉剪试样断口,如图4所示. 有研究认为，加载过程中焊件内部应力是否均匀决定着残余应力对焊件静载强度是否有影响[9]. 焊件塑性好、可均匀地塑性变形，则残余应力对静载强度无影响. 对于第3组拉剪试样，从图4断口SEM形貌可以看出两种宽度试样断口具有拉伸撕裂型伸长韧窝. 80 mm试样断口韧窝较10 mm试样分布稀疏，呈撕开状态的韧窝更明显，说明塑性变形更不均匀，体现了焊接残余应力在搭接接头受拉剪过程中对焊缝微观变形的影响，从而降低了拉剪强度.

第5组疲劳试样断口形貌如图5所示. 图5a为10 mm试样沿下搭接板断裂处厚度方向全貌，疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区分布明显. 由于疲劳条纹是疲劳断口最典型的微观特征，并且裂纹亚稳态扩展占有整个疲劳寿命的很大比例，故选取同一应力级别下10和80 mm试样的疲劳扩展区进行相同放大倍数下的对比观察，如图5b,c所示.图5b显示10 mm试样疲劳扩展区起伏度更大，有明显的撕裂棱和台阶，说明发生了较大的塑性变形，裂纹扩展过程中受到更大阻碍. 而80 mm试样疲劳扩展区更为平缓，微坑较少，如图5c所示. 同一应力级别下两宽度疲劳试样扩展区塑性变形的差别同样体现了焊接残余应力对裂纹扩展的影响.

图4 第3组拉剪试样断口微观形貌

Fig.4 Appearance of fracture of specimens in group 3 after tensile-shear test

图5 第5组疲劳试样断口微观形貌

Fig.5 Appearance of fracture of specimens in group 5 after fatigue test

3 残余应力作用机理分析

下面以非熔透型搭接接头为例分析残余应力作用机理(熔透型接头与之类似). 搭接焊接头在拉剪或疲劳试验时的状态如图6所示,一般情况下A，B两处焊趾附近应为受力最大点. 对于80 mm宽含残余应力试样搭接界面处焊缝受三部分应力作用，即弯曲应力σw、外载应力σ0和残余应力σR，而10 mm宽的试样仅受弯曲应力σw和外载应力σ0作用.

图6 试样受力状态示意图

Fig.6 Schematic diagram of specimen stress status

由于沿焊缝方向的残余应力σR始终为拉伸应力，加上弯曲应力σw和载荷应力σ0的作用，使得80 mm宽的试样的焊趾始终处于三轴应力状态，加上两搭接板界面处焊缝材料产生塑性变形时受到两侧试板的约束，造成A,B焊趾处材料近乎平面应变状态. 而对于10 mm宽的试样，由于缺少一轴方向的应力，所以其材料近于平面应力状态. 显然，对于平面应变状态的材料属性其变形能力要低于平面应力状态，这应是80 mm宽的试样拉剪和疲劳强度低于10 mm宽试样的内在原因.

4 结 论

(1) 熔透型或非熔透型激光搭接焊缝所含残余应力达到材料屈服强度的一半以上. 该残余应力的存在降低了接头拉剪强度，相同入射角、搭接间隙情况下降低程度基本一致.

(2) 对于熔透型与非熔透型两种搭接焊接头，增大入射角将加重残余应力对拉剪强度的降低程度. 非熔透型时，增大搭接间隙同上.

(3) 对于非熔透型激光搭接焊,焊接残余应力会显著降低接头疲劳寿命. 疲劳裂纹从下搭接板内侧与焊缝相交处萌生、穿板扩展，呈韧性断裂.

(4) 激光搭接焊缝正、背面存在较大的纵向残余拉应力改变了搭接界面焊趾附近材料的受力状态，即由无残余应力的二维平面应力状态转变为有残余应力的三轴平面应变特征，致使材料塑性变形能力下降，导致拉剪和疲劳性能降低.

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收稿日期： 2017-03-01

中图分类号： TG 407

文献标识码： A

doi:10.12073/j.hjxb.20170301001

作者简介： 梁 行,男，1993年出生，硕士研究生. 主要从事激光焊接工艺、焊接残余应力及接头性能方面的研究. Email: [e-mail]

作者简介： 陈怀宁，男，博士，研究员. Email: [e-mail]