電脈沖輔助豪克能超聲沖擊技術對焊縫殘余應力及顯微硬度的影響

王鈴聲,葉肖鑫,劉濤,葉泳達,唐國翌，宋國林

(清華大學深圳研究生院，新材料研究所）
 

摘要:

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

關鍵詞:

電脈沖輔助豪克能沖擊焊縫殘余應力顯微硬度

 

        D36鋼是一種高強度的低合金鋼材.具有優異的綜合使用性能和焊接性能,適于制造船體、采油平臺等結構件,在海洋環境中應用廣泛。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件引入較大的焊接殘余應力。焊接殘余應力的存在可對焊接構件產生巨大的危害,殘余拉應力會使得工件在裂紋缺陷處發生脆性斷裂,并且能夠降低材料的耐腐蝕性;焊接接頭附近的應力集中嚴重影響著構件的疲勞性能,嚴重縮短了焊接構件的使用壽命;在隨后的加工、貯運及使用過程中殘余應力能夠使得焊接構件發生變形,焊接變形還會降低焊件的疲勞強度與承載能力，導致焊件加工時產生不必要的誤差。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力的問題更加復雜。為了保障焊接件的可靠性,需要對構件焊接后進行消除殘余應力的處理。常規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,改善焊縫的應力集中,將殘余拉應力轉換為對構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，為電脈沖在加工領域的應用起到了推動作用。從已經獲得的成果可知，電脈沖處理技術可提高材料的物理和力學性能，并且可以更好地節約能源,使環境得到保護,提高效率，人們開始認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力方面,利用電脈沖改善材料內部(表面)組織、提高力學性能已經有研究，但是，電脈沖輔助象克能沖擊技術對焊縫的相關研究目前還鮮有報道。

 

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

 

結論：

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

        (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力的消除但當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豪克能沖擊效果提高250 um。當電脈沖的電流密度為3.7 A/ mm2時,殘余應力的消去和顯微硬度的強化效果最為顯著。