几种铝合金残余应力消除方法

合金板材与模锻件等半成品往往存在很大的残余应力场,有关研究结果表明,通过采用热水淬火或有机介质淬火来降低残余应力数值的实际效果非常有限,因此,在铝合金在毛坯生产过程中,必须安排专门的消除残余应力工艺。英美等发达国家从上世纪50年代就开始该方面研究,并已形成包括机械拉伸法(TX51)、模冷压法(TX52)、上坡淬火法,(TX53)、模拉压法(TX54)、振动消除法等一整套专门的残余应力消除工艺。

时效消除法是降低淬火残余应力的传统方法。由于铝合金材料尤其是航空用铝合金材料对温度非常敏感,时效温度的提高,必然明显降低强度指标,使MgZn2等强化相析出过多,产生过时效现象。因此,淬火后时效处理通常在较低温度(小于200-250℃)下进行,因而影响了应力消除效果(仅为10-35%)，多用于铝加工工厂。

机械拉伸法消除应力的原理是将淬火后的铝合金板材,沿轧制方向施加一定量的永久拉伸塑性变形,使拉伸应力与原来的淬火残余应力叠加后发生塑性变形,使残余应力得以缓和与释放。有关研究结果表明,机械拉伸法最高可消除90%以上的残余应力。但该种方法仅适合于形状简单的零件,且对拉伸前铝合金板材的组织均匀性要求较高,多用于铝加工工厂。

模冷压法是在一个特制的精整模具中,通过严格控制的限量冷整形来消除复杂形状铝合金模锻件中的残余应力。事实上“模压”这种叫法不够确切,因为其主要作用机理是使铝合金模锻件的局部材料受“拉伸”或者“压缩”作用。当精整模具压下时,精整凸模嵌入到铝合金模锻件端面、缘(筋)条的拔模斜度上,实际上使模锻件的腹板部分产生“拉伸”作用。因此,该种方法是调整而不是消除零件的整体应力水平,它使铝合金模锻件上某些部位的残余应力得到释放的同时,有可能使其他部位的残余应力增大。另外,鉴于铝合金模锻件本来就己存在很大的残余应力,模压变形量过大将可能引起冷作硬化、裂纹和断裂;而变形过小则使应力消除效果不佳,因此该种方法的局限性是在实际操作中难以精确控制模压变形量。

深冷处理法也称冷稳定处理法,按工艺可划分为深冷急热法与冷热循环法两种。其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入-196℃的液氮中深冷,待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射,通过急热与急冷产生方向相反的热应力,借此抵消原来的残余应力场。有关研究表明,在选择合适的工艺参数条件下,深冷急热法可降低20-84%的残余应力。深冷处理的最大优点是在有效消除残余应力的同时,可改善(至少不降低)材料的强度、硬度、耐磨性与组织稳定性。由于深冷处理对零件的尺寸与形状没有限制,因此适合于形状复杂的模锻件与铸件。在切削加工前进行深冷处理还可明显改善铝合金加工时易产生的严重加工变形倾向,提高材料的组织稳定性。然而,现有的相关研究指出,深冷处理只能消除热处理温度梯度产生的残余应力,而不能有效消除机械加工、冷成形等不均匀塑性变形产生的残余应力,对焊接残余应力的消除效果也不佳。

振动消除残余应力法的工作原理是用便携式强力激振器,使金属结构产生一个或多个振动状态,从而产生如同机械加载时的弹性变形,使零件内某些部位的残余应力与振动载荷叠加后,超过材料的屈服应力引起塑性应变,从而引起内应力的降低和重新分布。现有的相关研究指出,当铝合金在刚刚进行了淬火后的不稳定状态(0-2小时内)进行振动消除,效果最佳,残余应力最大可降低50-70%;若在淬火后放置360小时进行振动时效后测试,残余应力只能消除10%-20%。振动消除应力(VSR)技术具有高效节能,工艺简单方便,适用性强等特点,对零件没有形状与尺寸限制,尤其适合于大型复杂结构件,是一种很有发展前途的工艺方法。另外,经过振动时效后的铝合金构件具有良好的尺寸稳定性,在后续的机械加工中不易产生加工变形。但目前对振动时效工艺的机理还不充分,国内外对它应用于铝合金结构件中的适宜性也存在争议。

博望power铝合金专用时效炉是在铝材机械加工时释放出铝材本身残存的内应力和因机加工而产生的内应力，得以有效消除的装备。此工艺的最大优点：不降低铝材的硬度、不改变铝材的化学性能、机械性能和物理性能，铝材的强度、密度、形状不受任何影响，志在消除因机械加工而产生或释放出铝材内应力，达到稳定铝材工件精度，或受外界温度变化而引起的工件精度偏差，以及缩小加工余量，从而提高产品成品合格率，降低企业成本的目的！

除了上述方法以外,近年来,国际上还报告了形变热处理法,脉冲磁处理(PMT)法等残余应力消除技术,但相关工艺尚不成熟。
总结近几年国内外评价有关消除残余应力工艺效果的文献,现有铝合金结构件锻件毛坯残余应力消除技术中,机械拉伸(压缩)法可达90%左右,不足之处是要求零件形状简单,对毛坯材料成分和组织均匀性要求较高,适用范围狭窄。恒温时效法10~35%;振动消除法20-70%;深冷处理法25%~83%；机加后时效消除法90-98%。因此,原有工艺技术与方法尚无法从根本上消除铝合金结构件、锻件毛坯中的残余应力，现博望金属推出power机加后时效消除法，依托以色列军工技术，马来西亚工程技术人员的不懈努力，业已成功推向市场。已经在吹瓶吹塑模、鞋模、3C产品得到有效验证，反映颇具好评！