電脈沖輔助豪克能超聲沖擊技術(shù)對焊縫殘余應(yīng)力及顯微硬度的影響

王鈴聲,葉肖鑫,劉濤,葉泳達(dá),唐國翌，宋國林

(清華大學(xué)深圳研究生院，新材料研究所）
 

摘要:

焊接結(jié)構(gòu)件中存在焊接殘余應(yīng)力,使得焊接構(gòu)件在使用過程中容易發(fā)生斷裂,縮短構(gòu)件的使用壽命。以鋼焊縫為研究對象,使用電脈沖輔助豪克能沖擊技術(shù)處理鋼焊接件,研究電脈沖輔助豪克能沖擊技術(shù)對焊D36縫殘余應(yīng)力和顯微硬度的影響。研究結(jié)果表明:電脈沖輔助豪克能沖擊技術(shù)在適當(dāng)電流密度和處理時間下消除焊接殘余應(yīng)力和表面強化的作用優(yōu)于傳統(tǒng)的單一豪克能沖擊技術(shù),不僅能夠比單一豪克能沖擊技術(shù)降低焊縫的殘余應(yīng)力最多達(dá)23MPa，提高焊縫表層的最大硬度達(dá)109Hv，同時增加強化層深度最多達(dá)250μm。

關(guān)鍵詞:

電脈沖輔助豪克能沖擊焊縫殘余應(yīng)力顯微硬度

 

        D36鋼是一種高強度的低合金鋼材.具有優(yōu)異的綜合使用性能和焊接性能,適于制造船體、采油平臺等結(jié)構(gòu)件,在海洋環(huán)境中應(yīng)用廣泛。D36鋼在使用過程中需要進行焊接,焊接過程中快速加熱和冷卻,不均勻的溫度場會給焊接構(gòu)件引入較大的焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的存在可對焊接構(gòu)件產(chǎn)生巨大的危害,殘余拉應(yīng)力會使得工件在裂紋缺陷處發(fā)生脆性斷裂,并且能夠降低材料的耐腐蝕性;焊接接頭附近的應(yīng)力集中嚴(yán)重影響著構(gòu)件的疲勞性能,嚴(yán)重縮短了焊接構(gòu)件的使用壽命;在隨后的加工、貯運及使用過程中殘余應(yīng)力能夠使得焊接構(gòu)件發(fā)生變形,焊接變形還會降低焊件的疲勞強度與承載能力，導(dǎo)致焊件加工時產(chǎn)生不必要的誤差。在海洋平臺和船舶制造過程中，大尺寸的厚板焊接后殘余應(yīng)力的問題更加復(fù)雜。為了保障焊接件的可靠性,需要對構(gòu)件焊接后進行消除殘余應(yīng)力的處理。常規(guī)采用的方法為豪克能波沖擊處理方法,該方法通過豪克能沖擊槍對材料表層輸入振動能量,使焊縫表層形成加工硬化層,改善焊縫的應(yīng)力集中,將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為對構(gòu)件使用有益的殘余壓力,提高焊接件的使用壽命。國外研究人員H. We-ver和V.B.Fisk最早對電脈沖處理這種方法進行研究，為電脈沖在加工領(lǐng)域的應(yīng)用起到了推動作用。從已經(jīng)獲得的成果可知，電脈沖處理技術(shù)可提高材料的物理和力學(xué)性能，并且可以更好地節(jié)約能源,使環(huán)境得到保護,提高效率，人們開始認(rèn)識到電脈沖在加工處理中的價值,在使用電脈沖消除殘余應(yīng)力方面,利用電脈沖改善材料內(nèi)部(表面)組織、提高力學(xué)性能已經(jīng)有研究，但是，電脈沖輔助象克能沖擊技術(shù)對焊縫的相關(guān)研究目前還鮮有報道。

 

        電脈沖輔助豪克能超聲沖擊技術(shù)處理焊接構(gòu)件是將電脈沖和豪克能沖擊兩種技術(shù)結(jié)合起來對焊接構(gòu)件進行處理﹐利用高能電脈沖的電致塑性效應(yīng)、集膚效應(yīng)使得焊縫表層的塑性變形能力提高,硬度下降,提高其對焊接構(gòu)件的沖擊程度和表層組織的變形能力，以降低焊接構(gòu)件的殘余拉應(yīng)力,提高焊縫表層顯微硬度和變形層深度。

 

結(jié)論：

        (1)電脈沖輔助豪克能超聲沖擊能夠消除焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力,并將焊縫的殘余拉應(yīng)力全部轉(zhuǎn)換成有益的殘余壓應(yīng)力。當(dāng)處理2min和10min時，電脈沖輔助豪克能沖擊的效果優(yōu)于單獨豪克能沖擊處理,當(dāng)處理時間為2Omin時，焊縫中殘余應(yīng)力消除已達(dá)飽和值,處理效果與傳統(tǒng)單獨使用超聲沖擊效果相當(dāng)。

        (2)在一定的處理時間下,增大電流密度﹐電脈沖輔助豪克能沖擊能夠有效促進殘余應(yīng)力的消除但當(dāng)電流密度超過一定值后,隨著電流密度的增大,過大的脈沖電流密度阻礙了豪克能沖擊的作用，殘余應(yīng)力的消除率有所降低。

        (3)電脈沖輔助豪克能超聲沖擊能夠提高焊縫表層組織發(fā)生塑性變形的能力,增加變形層的深度。塑性變形層能夠從傳統(tǒng)處理的100 m提高到400 um,焊縫組織硬化層的深度平均可比傳統(tǒng)豪克能沖擊效果提高250 um。當(dāng)電脈沖的電流密度為3.7 A/ mm2時,殘余應(yīng)力的消去和顯微硬度的強化效果最為顯著。