[發(fā)明專利]一種微弧氧化改善鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410516016.8
• 申請日: 2014-09-30
• 公開（公告）號: CN104233427A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱宗濤;李遠星;王雪飛;陳輝
• 申請（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號: C25D11/04
• 分類號: C25D11/04;C25D11/02;C25D5/18
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責(zé)任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種通過微弧氧化處理降低鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，釋放了焊接接頭的殘余拉應(yīng)力，并在表面引入了殘余壓應(yīng)力，使得焊接接頭應(yīng)力場得到改善，屬于先進材料表面改性處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于焊接過程中加熱和冷卻的不均勻性，在焊接結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。鋁合金熱導(dǎo)系數(shù)較高、線膨脹系數(shù)較大，在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力情況更為嚴(yán)重和復(fù)雜，致使鋁合金焊接接頭既是焊接殘余拉應(yīng)力的峰值區(qū)，又是焊趾應(yīng)力集中區(qū)，焊縫的殘余應(yīng)力甚至可能高達屈服應(yīng)力水平。殘余應(yīng)力會引起焊接接頭微觀幾何不連續(xù)，容易形成疲勞裂紋源和造成應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致鋁合金焊接接頭的疲勞可靠性和疲勞壽命降低，抗應(yīng)力腐蝕能力差。尤其是6xxx、7xxx高強鋁合金材料，雖然強度高，但靜疲勞極限較低，應(yīng)力腐蝕傾向較大，其焊接接頭應(yīng)力腐蝕敏感性更強，疲勞性能更差，導(dǎo)致焊接工件在服役過程中的安全性和可靠性大大降低，同時極大地影響其使用壽命。因此，研究改善鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力分布的方法，并使殘余拉應(yīng)力場逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力場是一項重要課題。

目前通過焊接后處理的方式來消除焊接接頭殘余應(yīng)力的主要方法有焊后熱處理、激光沖擊處理、超聲沖擊處理、焊趾修形、噴丸處理、振動法調(diào)整殘余應(yīng)力處理等。

但焊后熱處理能耗大，周期長，效率低，且經(jīng)焊后熱處理的焊接接頭可能由于晶粒異常長大而產(chǎn)生裂紋，引起新的應(yīng)力集中，而且處理過程中焊接工件表面被氧化，需要進一步對其進行處理，增加成本。

激光沖擊處理受限于焊接工件形狀，無法強化激光不宜到達的部位，而且光纖難以承受極高功率的高強激光束，成本又高，限制了其生產(chǎn)應(yīng)用。

超聲沖擊處理設(shè)備能量輸出不穩(wěn)定，可能在焊接接頭表層產(chǎn)生有害的殘余拉應(yīng)力甚至局部損傷，造成焊接工件疲勞強度和疲勞壽命降低，應(yīng)力腐蝕傾向變大。

焊趾修形強化技術(shù)主要包括電弧熔修技術(shù)和激光熔修技術(shù)。電弧熔修技術(shù)對保護氣體控制和焊縫清理要求較高，準(zhǔn)備工作復(fù)雜，熔修效果受焊縫位置影響，重熔后焊趾區(qū)域殘余拉應(yīng)力可能會增大。激光熔修時的大激光功率容易引起重熔的焊趾發(fā)生凹陷，再次造成幾何不連續(xù)，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

噴丸處理難以保證處理區(qū)域上噴丸覆蓋率的一致性，殘余壓應(yīng)力影響深度不易控制，且處理后焊接工件表面粗糙度提高，塑性變形明顯，力學(xué)性能可能下降，影響焊接工件的進一步使用。

振動處理結(jié)果不穩(wěn)定，降低高應(yīng)力區(qū)的殘余應(yīng)力的同時可能引起低應(yīng)力區(qū)殘余應(yīng)力的提高，無法降低平均殘余應(yīng)力。而且焊接工件尺寸不能太大，設(shè)備工作噪聲大。

綜上，目前常用的降低鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的方法都有其自身的缺點和使用的不穩(wěn)定性與局限性。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的在于提出一種微弧氧化降低焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，借助于被處理表面在電解環(huán)境下的高電壓大電流微弧放電作用，在局部產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，從而降低表面殘余拉應(yīng)力，誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力，同時在表面原位生長一層保護表面層。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

一種微弧氧化改善鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，通過微弧氧化處理在焊接接頭表面制備一表面層以改善焊接接頭殘余應(yīng)力分布并提高自身的防腐、耐磨性能；其主要手段為：將被處理焊接接頭工件懸置于盛有電解液的電解槽內(nèi)，工件與電解槽壁分別接微弧氧化電源的陽極和陰極，采用電參數(shù)范圍為：正向脈沖電壓100-800V，正向脈沖寬度50-1000μs，負(fù)向脈沖電壓50-250V，輸出頻率50-3000Hz。微弧氧化反應(yīng)進行20min～40min后，獲得膜厚達到20～60μm的涂層。

電解液微弧氧化溶液體系可采用硅酸鹽體系、偏鋁酸鹽、磷酸鹽和碳酸鹽溶液體系。

所述電參數(shù)范圍可進一步選擇為：正向脈沖電壓600V，正向脈沖寬度200μs，負(fù)向脈沖電壓0V，輸出頻率500Hz；反應(yīng)進行30min獲膜層厚度5-100μm的表面層。

采用的硅酸鹽體系主成膜劑為Na₂SiO₃，濃度范圍為10～25g/L；PH調(diào)節(jié)劑為KOH，其濃度范圍為6～20g/L。