[发明专利]一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法

说明书

技术领域

本发明是一种通过微弧氧化处理降低铝合金焊接接头残余应力的方法，释放了焊接接头的残余拉应力，并在表面引入了残余压应力，使得焊接接头应力场得到改善，属于先进材料表面改性处理领域。

背景技术

由于焊接过程中加热和冷却的不均匀性，在焊接结构中易产生的残余应力。铝合金热导系数较高、线膨胀系数较大，在焊接过程中产生的残余应力情况更为严重和复杂，致使铝合金焊接接头既是焊接残余拉应力的峰值区，又是焊趾应力集中区，焊缝的残余应力甚至可能高达屈服应力水平。残余应力会引起焊接接头微观几何不连续，容易形成疲劳裂纹源和造成应力腐蚀，导致铝合金焊接接头的疲劳可靠性和疲劳寿命降低，抗应力腐蚀能力差。尤其是6xxx、7xxx高强铝合金材料，虽然强度高，但静疲劳极限较低，应力腐蚀倾向较大，其焊接接头应力腐蚀敏感性更强，疲劳性能更差，导致焊接工件在服役过程中的安全性和可靠性大大降低，同时极大地影响其使用寿命。因此，研究改善铝合金焊接接头残余应力分布的方法，并使残余拉应力场逐步转变为残余压应力场是一项重要课题。

目前通过焊接后处理的方式来消除焊接接头残余应力的主要方法有焊后热处理、激光冲击处理、超声冲击处理、焊趾修形、喷丸处理、振动法调整残余应力处理等。

但焊后热处理能耗大，周期长，效率低，且经焊后热处理的焊接接头可能由于晶粒异常长大而产生裂纹，引起新的应力集中，而且处理过程中焊接工件表面被氧化，需要进一步对其进行处理，增加成本。

激光冲击处理受限于焊接工件形状，无法强化激光不宜到达的部位，而且光纤难以承受极高功率的高强激光束，成本又高，限制了其生产应用。

超声冲击处理设备能量输出不稳定，可能在焊接接头表层产生有害的残余拉应力甚至局部损伤，造成焊接工件疲劳强度和疲劳寿命降低，应力腐蚀倾向变大。

焊趾修形强化技术主要包括电弧熔修技术和激光熔修技术。电弧熔修技术对保护气体控制和焊缝清理要求较高，准备工作复杂，熔修效果受焊缝位置影响，重熔后焊趾区域残余拉应力可能会增大。激光熔修时的大激光功率容易引起重熔的焊趾发生凹陷，再次造成几何不连续，产生应力集中。

喷丸处理难以保证处理区域上喷丸覆盖率的一致性，残余压应力影响深度不易控制，且处理后焊接工件表面粗糙度提高，塑性变形明显，力学性能可能下降，影响焊接工件的进一步使用。

振动处理结果不稳定，降低高应力区的残余应力的同时可能引起低应力区残余应力的提高，无法降低平均残余应力。而且焊接工件尺寸不能太大，设备工作噪声大。

综上，目前常用的降低铝合金焊接接头残余应力的方法都有其自身的缺点和使用的不稳定性与局限性。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的在于提出一种微弧氧化降低焊接接头残余应力的方法，借助于被处理表面在电解环境下的高电压大电流微弧放电作用，在局部产生较大的压应力，从而降低表面残余拉应力，诱导残余压应力，同时在表面原位生长一层保护表面层。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，通过微弧氧化处理在焊接接头表面制备一表面层以改善焊接接头残余应力分布并提高自身的防腐、耐磨性能；其主要手段为：将被处理焊接接头工件悬置于盛有电解液的电解槽内，工件与电解槽壁分别接微弧氧化电源的阳极和阴极，采用电参数范围为：正向脉冲电压100-800V，正向脉冲宽度50-1000μs，负向脉冲电压50-250V，输出频率50-3000Hz。微弧氧化反应进行20min～40min后，获得膜厚达到20～60μm的涂层。

电解液微弧氧化溶液体系可采用硅酸盐体系、偏铝酸盐、磷酸盐和碳酸盐溶液体系。

所述电参数范围可进一步选择为：正向脉冲电压600V，正向脉冲宽度200μs，负向脉冲电压0V，输出频率500Hz；反应进行30min获膜层厚度5-100μm的表面层。

采用的硅酸盐体系主成膜剂为Na₂SiO₃，浓度范围为10～25g/L；PH调节剂为KOH，其浓度范围为6～20g/L。