10.16638/jki.1671-7988.2019.19.055
刘博，王媛媛
（中车大同电力机车有限公司，山西大同037000）
摘要：采用X射线衍射法对A7N01铝合金焊缝在不同参数组合下的表面残余应力进行测量。探究抛丸时间和频率两参数对A7N01铝合金焊缝表面残余应力分布的影响，通过试验得出：抛丸时间相同时，强度越大，表面残余压应力值越大；抛丸强度相同时，时间越长，表面残余压应力值越大。采用较小的抛丸强度，板材表面残余压应力的值波动较小，分布更均匀。在本次试验中，15Hz-2min为抛丸的最佳工艺。
关键词：铝合金焊缝；抛丸；残余应力；X射线衍射法
中图分类号：U466 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2019)19-158-03
Effect of shot blasting on the surface residual stress of A7N01 aluminum alloy
Liu Bo, Wang Yuanyuan
（CRRC datong electric locomotive co. LTD., Shanxi Datong 037000 )
Abstract: X-ray diffraction method was used to measure the surface residual stress of A7N01 aluminum alloy welding seam under different parameter combinations. Explore the impact of shot blasting time and frequency on the surface residual stress distribution of A7N01 aluminum alloy welding seam. With the same blasting strength, the longer the blasting time, the greater the residual compressive stress. In this test, 15hz-2min is the best shot blasting process.
丝锥磨床Keywords: Aluminum alloy weld; Blasting; Residual stress; X-ray diffraction
CLC NO.: U466 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)19-158-03
引言小文件存储
高速铁路的蓬勃发展促进了新材料的出现。铝及其合金具有密度低、易加工、耐候性好、装饰性好等特点，已广泛应用于轨道交通制造领域。A7N01铝合金为Al-Zn-Mg热处理强化型高强铝合金，通过加入适量Mn、Cr、Zr等微量元素有效提高合金的再结晶温度和可焊性，是综合性能较为优异的铝合金，其强度高、挤压性较好、耐蚀性好，适于制造车体、底架、框架等型材[1]。在铝合金车身的制造过程
中，焊接是主要的工艺方法，焊缝质量对产品质量起着至关重要的作用。残余应力是影响焊缝质量的重要影响因素，尤其是残余应力在焊趾和焊接热影响区中较大，改变了应力集中系数和疲劳裂纹扩展速率，将对车体的疲劳和使用寿命产生严重的影响[2]。本文将以抛丸时间和频率为变量，通过X射线衍射法测量不同参数组合下铝合金试件表面残余应力的变化情况，提出抛丸工艺的合理参数。
1 抛丸及X射线法的概况衣架制作
1.1 抛丸强化
抛丸是利用高速弹丸流连续冲击工件表面，迫使目标表面和表面在循环变形过程中改变微观结构和表面粗糙度，并引入残余应力。弹丸投射到材料表面时，使金属晶格的一部分由面心转移到体心，发生体积膨胀而受到约束，引入残余应力。 1.2 X射线衍射法测量原理
原子间的距离在外力作用发生变化，与所受应力成正比。X射线被晶格衍射，产生干涉，可以计算晶体晶格的平面间
作者简介：刘博，就职于中车大同电力机车有限公司。
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刘博 等：抛丸对A7N01铝合金表面残余应力的影响
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距。由于干涉线满足布拉格定律（n=1），掠射角取决于晶格原子d A 的平面间距和X 射线辐射的波长，即
。从
干涉环的半径r 和样品与旋转薄膜之间的距离a f 可以非常精
确地确定布拉格角
。根据干涉环半径在三个方位
角φ（如φ、φ=π/4、φ+2/π）的变化和射线弹性常数，可以确定表面双轴应力状态。
2 残余应力实测方案
为探究抛丸对A7N01铝合金焊缝表面残余应力影响，采用X 射线衍射法对不同时间-频率组合形式下焊缝横向残余应力进行测量，分析时间和频率两种参数的影响效果。 2.1 实验材料及仪器
（1）实验材料
选用两块300mm ×150mm ×8mm 的A7N01板作为焊件母材，其屈服强度295MPa ，抗拉强度365MPa 。弹丸采用的是钢丸，其直径为1～2mm 。钢丸的优点是：硬度适中、韧性强，有很好的抗冲击能力。
（2）实验仪器
应力测量使用加拿大Proto 公司生产的ixrd 便携式X 射线衍射仪。测角仪的核心部件装有X 射线管和探测器，可以围绕样品测量点旋转。抛丸采用的是履带式抛丸机，型号为QPL30。 2.2 测试方案
（1）抛丸处理
试验用板采用，ER5356焊丝作为焊材，纯Ar 保护，双面MIG 焊，坡口形式为X 型坡口。为了比较不同时间-频率组合下抛丸对A7N01铝合金表面残余应力的影响。试板1-1，在抛丸频率45Hz 下，分别进行时长为30s 、1min 、2min 的抛丸处理。试板1-3，在抛丸频率15Hz 下，分别进行时长为1min 、2min 、4min 的抛丸处理。
（2）数据测量
为获取试板表面残余应力分布数据，在试板上选取焊缝的任一横断面，按距焊趾1、2、3、4、6、8、12、16、20、15、30、40、50、60、70、80（mm ），在不同间距处测量试板的表面残余应力。
nhdt-4713 实验结果分析
3.1 抛丸处理后试板表面残余应力分布
在时间相同，抛丸强度不同的条件下，A7N01铝合金试板表面的残余应力分布如图1、2。从图中可以看出，抛丸强度为45Hz 时，试板表面产生的残余压应力明显比强度为15Hz 时的大。抛丸时间为1min 时，45Hz 和15Hz 强度下产
生的最大残余压应力分别为319.12MPa 和283.69MPa 。抛丸时间为2min 时，45Hz 和15Hz 强度下产生的最大残余压应力分别为346.46MPa 和297.9MPa 。两种抛丸条件产生的残余压应力都在距焊趾13mm 处左右有较大的值。
c4烯烃图1 45Hz 、15Hz-1min 应力分布图
图2 45Hz 、15Hz-2min 应力分布图 在强度相同，抛丸时间不同的条件下，A7N01铝合金试板表面的残余应力分布如图3、4。从图中可以看出，在相同的抛丸强度的条件下，抛丸时间越长，抛丸产生的表面残余压应力值越大。由于15Hz 的强度较小，所以不同的时间条件下，试板残余压应力值的变化较小，在图中表现为曲线之间距离小，甚至出现交叉部分。15Hz 强度下的残余压应力分布折线比45Hz 强度下的波动更小，也就是说15Hz 强度抛丸后的表面残余应力分布更加均匀。
图3 45Hz-30s 、1min 、2min 应力分布图
图4 15Hz-1min 、2min 、4min 应力分布图
消音工程汽车实用技术
160 4 抛丸工艺应用建议
残余压应力在一定程度上可以提高焊缝的抗疲劳性和抗应力腐蚀能力，但残余应力在焊接过程中也是产生变形的主要原因，在焊接过程完成后将影响构件的静载强度、疲劳强度、及抗应力腐蚀能力。45Hz-2min 组合下丸处理抛后，试件表面形态被钢丸损伤较为严重，引入残余压应力的同时增大表面粗糙度，导致母材耐腐蚀性降低，影响产品性能。因此我们在选用抛丸强化处理试件表面时，应注意分析利弊，避免盲目求大。
5 结论
（1）抛丸时间相同时，强度越大，表面残余压应力值越大；抛丸强度相同时，时间越长，表面残余压应力值越大。
采用较小的抛丸强度，A7N01铝合金试板表面残余压应力的值波动较小，分布更均匀。
（2）由抛丸前后试板的表面宏观图片可以看出，抛丸对试板表面粗糙度的影响较大。抛丸强度越大、时间越长，A7N01铝合金试板表面粗糙度越大，越不均匀。
（3）综合比较铝合金板材抛丸前后表面宏观图片和应力测试结果可以得出：在本次试验中，15Hz-2min 为抛丸的最佳工艺。
参考文献
[1] 杨尚磊，孙文，孟立春等.机车车辆A7N01铝合金的MIG 焊接[C].
北京，机械工业出版社, 2008: 289-293.
[2] 戴忠晨，李春广，王红波等.喷砂对A7N01S 铝合金焊接接头残余应
力的影响[J].热加工工艺, 2014(9): 13-15.
（上接第151页）
其与新设计结构质量对比见表2所示。
表2 新设计结构与原结构质量对比
由此可见，新设计的铝合金转向节比原结构铁件转向节质量轻48%，减重接近50%，对整车轻量化设计有一定的贡献。
5 结论
通过拓扑优化，指定设计空间和优化目标，使用Optistruct 软件求解和优化，可以得到初步的材料的载荷传递路径，给
结构详细设计提供了有力的支撑，大大提高结构工程师的工作效率的同时，降低成本，使结构轻量化设计得以实现。值得注意的是，优化结果只是给结构设计提供参考，具体的结构设计还要依靠结构工程师的大量经验积累及思维能力，本文的结构不是唯一解，不同的设计师有不同的思路，但是整体的传递路径还是大同小异。
参考文献
[1] 汤颖颖.基于变密度法的连续体拓扑优化设计.[D].长安大学.2008.
07.
[2] 沈安林，肖守讷.车体结构多目标拓扑优化设计探讨[J].铁道机车
车辆2011.
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