九、如何焊接才能减小高强铝合金薄板结构中的残余应力？

比刚度和比强度高的铝合金是航空航天制造业中的一种主要结构材料，该材料要求加工精度较高，成型结构变形小。近几十年以来，随着科技进步及国防、民用等需要，质量轻、便于成型及强度足够的铝合金薄板及其焊接构件越来越受到重视。但是，在焊接结构中，铝合金薄板件的焊接残余应力和挠曲变形较大，严重影响使用与后续加工。那么，采用什么方法可以降低焊接残余应力水平或者均化焊接残余应力分布呢？

理论与试验研究表明，焊接残余应力水平与分布对铝合金薄板的尺寸稳定性影响很大。在焊接过程中，铝合金薄板件的焊接残余应力越大，引起的挠曲变形也越大。较大的焊接变形不但影响其使用性能与后续加工，甚至可能造成焊接结构的直接报废。因此，减小焊接残余应力已成为铝合金薄板及其薄板焊接结构面临的主要问题之一。

目前，降低薄板焊接结构中残余应力的有效方法之一是“预应力法”。“预应力法”就是在铝合金薄板焊接过程中，在其被焊接构件的两端整体施加平行于焊缝方向的预拉力。

例如，为降低焊接残余应力和挠曲变形，有研究者就采用该“预应力法”收到了较好的防变形焊接效果。

研究者试验中采用的是经水浴淬火后随炉退火的2A12高强铝合金薄板，尺寸为400mm×220mm×4mm，其σb、σ0.2分别为430MPa、300MPa。焊接时，沿板纵向中心线采用熔化极气体保护钨极氩弧焊（TIG焊）焊接，焊接电流为100A，电弧电压为12V，焊接速度为300mm/min。在焊前及焊接过程中，在薄板两端沿平行于焊缝方向整体施加一低于材料屈服极限的预加拉应力，预应力σF大小分别为0、0.4σ0.2与0.8σ0.2。

然后，研究者采用10MPa的XRD型应力测量仪对焊接后焊缝上及垂直于焊缝方向的残余应力进行测量，并使用GLOBALSTATUS575型三坐标测量机对铝板表面变形情况进行测量，三坐标测量机的最大允许探测误差为2.5μm。焊前经测试，退火试样表面残余应力水平处于20MPa以内，对后续的焊接影响较小。因此，“预应力”效果可通过焊接后试件直接测量分析。为便于X射线衍射残余应力测试，焊接后焊缝上需经细砂纸轻轻打磨。不同“预应力”条件下焊缝及垂直于焊缝方向的纵向表面残余应力分布如图1-2所示。由图1-2可见，随着“预应力”的增大，焊后残余应力幅值降低且较早趋于平缓分布，焊接影响区域减小，说明研究者采用的“预应力法”对控制残余应力水平及分布是非常有效的。当σF=0.4σ0.2时，焊缝中心残余应力下降34％，残余压应力平均水平由35MPa下降至20MPa左右（与试样初始残余应力水平相当），焊接影响范围下降至距离中心线30mm处；而当σF=0.8σ0.2时，焊缝中心残余应力下降52％，残余压应力平均水平由35MPa下降至20MPa（与试样初始残余应力水平相当），焊接影响范围下降至距离中心线20mm处。

在不同“预应力”作用下焊接薄板挠曲变形量分布如图1-3所示。由图1-3可知，随着“预应力”的增大，垂直于焊缝方向的挠曲变形量逐渐减小且趋于缓和。当σF=0.4σ0.2时，平均变形量由3.9mm下降至1.9mm，降幅超过51％；而当σF=0.8σ0.2时，平均变形量下降71％，且分布非常平均。

图1-2　不同预应力下焊接薄板纵向残余应力分布

图1-3　不同预应力下焊接薄板挠曲变形量分布

焊接过程中及焊后应力下降的主要原因与构件中最大残余应力和最小残余应力的差值以及构件潜在尺寸变形线性相关。通过对薄板施加“预应力”，可以改变焊接快速加热与快速冷却过程中热应力引起的应力应变分布特征，可部分抵消焊缝及其附近区域热膨胀过程中产生的压应力，故在后续的冷却中可降低残余拉应力水平。应力的重新分布进一步使远离焊缝区域的压应力区减小，且使该处的应力水平也相应有所下降。

实质上，相关研究表明，焊接过程中残余应力对构件的尺寸稳定性影响最大，故控制焊接结构中的残余应力幅值并使其均化分布，则构件的挠曲变形将得到控制。对于高强铝合金焊接薄板件，降低残余应力水平与均化残余应力分布是保证构件尺寸稳定性的重要手段。而且，引入“预应力”可显著控制焊接残余应力幅值并减小焊接影响区范围，可明显均化应力分布状态及大幅减小板试件的挠曲变形。