朱海洋,張 舉,蔡嘯濤,劉 川,鄒家生

(1.江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院, 張家港 215600) (2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

焊接是一個不均勻受熱過程,焊接過程中由于焊接接頭的局部受熱又快速冷卻,焊件中不可避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1].焊接殘余應(yīng)力的峰值常常達(dá)到甚至超過材料的屈服強(qiáng)度[2]，易造成接頭各種裂紋,降低接頭的應(yīng)力腐蝕能力,顯著影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能和服役壽命[3]，因此,需加以消除．超聲沖擊是目前國內(nèi)外比較流行的消除焊接殘余應(yīng)力方法,它是利用超聲波振動驅(qū)動沖擊針高速撞擊工件表面,使工件表面產(chǎn)生塑性變形的一種技術(shù)[4]，能夠有效消除焊縫表面殘余拉應(yīng)力,引入殘余壓應(yīng)力,提高焊接構(gòu)件疲勞壽命[5].

目前超聲沖擊消除應(yīng)力研究集中于焊后表面沖擊[6-9],而焊接過程中對焊接接頭內(nèi)部道層或各層沖擊研究較少,內(nèi)部道層或各層沖擊對接頭表面殘余應(yīng)力有何影響值得關(guān)注．文中以12 mm厚Q235焊接試板為研究對象,焊接過程中分別采用內(nèi)部道層沖擊、各層均沖擊以及焊后表面沖擊的方式進(jìn)行處理,研究不同超聲沖擊方式對焊接接頭表面殘余應(yīng)力的影響.

1 試驗

1.1 試板焊接

以12 mm厚Q235焊接試板為研究對象,試板規(guī)格200 mm×300 mm×12 mm,試板屈服強(qiáng)度255 MPa,抗拉強(qiáng)度380 MPa.焊接方法采用手工電弧焊,焊接設(shè)備為OTC VRTP400,J507焊條.V型坡口,坡口角度60°,鈍邊1 mm.焊接層序如圖1,各層序焊接工藝參數(shù)如表1.以相同工藝參數(shù)分別焊接4組試板,編號為A、B、C、D.

圖1 焊接層序(單位：mm)Fig.1 Welding sequence(unit：mm)表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameter

焊接層序焊條直徑?/mm焊接電流I/A 13.2120 24.0165 34.0165 43.2120 54.0165

1.2 超聲沖擊

采用超聲沖擊對試板處理,不同試板采用不同的沖擊方式,各試板超聲沖擊方式如表2.試板A不進(jìn)行超聲沖擊處理;試板B在焊接中對打底層和填充層進(jìn)行全覆蓋沖擊;試板C在焊接中對各層均全覆蓋沖擊;試板D焊后覆蓋局部蓋面層及母材進(jìn)行沖擊.超聲沖擊設(shè)備為JSKD-D超聲沖擊機(jī),如圖2.

表2 各試板超聲沖擊方式Table 2 Different UIT ways on each plate

超聲頻率為20 kHz,槍頭為多針頭,沖擊針直徑φ3 mm.打底和填充層采用兩針頭沖擊,蓋面層采用四針頭.定義單位面積內(nèi)的沖擊時間為沖擊強(qiáng)度,單位s/cm2.試板B、C沖擊強(qiáng)度選用5 s/cm2,試板D焊縫區(qū)域沖擊強(qiáng)度選用10 s/cm2,母材區(qū)域選用5 s/cm2.超聲沖擊過程如圖3,沖擊過程中槍頭往返均勻擺動.

圖2 超聲沖擊設(shè)備Fig.2 UIT equipment

圖3 試板超聲沖擊Fig.3 UIT on plate

1.3 殘余應(yīng)力測試

采用盲孔法分別對4組試板進(jìn)行殘余應(yīng)力測試.鉆孔直徑φ1.5 mm,孔深2 mm,應(yīng)變片型號為TJ120-1.5-φ1.5.殘余應(yīng)力測試設(shè)備為ZDL-Ⅱ型鉆孔裝置和TS3862應(yīng)變儀.應(yīng)力測試位置如圖4.

圖4 應(yīng)力測試位置(單位：mm)Fig.4 Position of stress test(unit：mm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊中不同道次沖擊結(jié)果比較

A、B、C 3組試板縱向、橫向殘余應(yīng)力測試結(jié)果分別如圖5、6.

由圖5、6試板A殘余應(yīng)力結(jié)果可以看出,試板表面焊態(tài)殘余應(yīng)力分布特征為焊縫及其附近區(qū)域縱向、橫向應(yīng)力為拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域為壓應(yīng)力,焊縫中心縱向應(yīng)力較高,約350 MPa,橫向應(yīng)力約70 MPa.

試板B進(jìn)行打底層和填充層沖擊后,焊縫區(qū)域拉應(yīng)力明顯降低.焊縫中心縱向應(yīng)力由350 MPa降約為250 MPa,降低了約100 MPa,消除率達(dá)28%;焊縫中心橫向應(yīng)力由70 MPa降約為-5 MPa,形成了較小的壓應(yīng)力,消除率達(dá)107%.

試板C進(jìn)行各層沖擊后,拉應(yīng)力在試板B的基礎(chǔ)上繼續(xù)降低.焊縫中心縱向應(yīng)力由350 MPa降為約180 MPa,消除率達(dá)51%,橫向應(yīng)力形成了-80 MPa的壓應(yīng)力,消除率達(dá)214%.而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的母材上縱向壓應(yīng)力則有所減小,殘余應(yīng)力最終分布呈拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均較小的特征.

比較試板A、B殘余應(yīng)力結(jié)果,對內(nèi)部道層進(jìn)行沖擊可以有效降低表面焊接殘余應(yīng)力,內(nèi)部道層的沖擊調(diào)整了焊接過程中的應(yīng)力分布,后續(xù)蓋面層焊接產(chǎn)生新的應(yīng)力狀況下,最終形成的殘余應(yīng)力也較低.

比較試板B、C殘余應(yīng)力結(jié)果,在各層均沖擊的情況下,殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)拉、壓應(yīng)力較小的特征.蓋面層的沖擊使表面發(fā)生塑性變形產(chǎn)生壓應(yīng)力,消除了部分拉應(yīng)力,從而最終形成的拉應(yīng)力較低.

圖5 縱向殘余應(yīng)力測試結(jié)果Fig.5 Test result of longitudinal residual stress

圖6 橫向殘余應(yīng)力測試結(jié)果Fig.6 Test result of transverse residual stress

2.2 焊中各道次沖擊和焊后表面沖擊結(jié)果比較

由試板A殘余應(yīng)力測試結(jié)果可知,表面焊態(tài)拉應(yīng)力區(qū)域?qū)挾染嗪缚p中心約50 mm寬(圖6),試板D采取了焊后覆蓋拉應(yīng)力區(qū)的表面沖擊方式,沖擊區(qū)域如圖7(焊縫寬度20 mm).焊縫區(qū)域內(nèi)沖擊強(qiáng)度為10 s/cm2,比試板C沖擊強(qiáng)度高1倍,焊縫區(qū)域外母材區(qū)域采用沖擊強(qiáng)度5 s/cm2.沖擊完后進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,試板D與C應(yīng)力測試比較結(jié)果如圖8.其中σx為平行于焊縫方向的縱向應(yīng)力,σy為垂直于焊縫方向的橫向應(yīng)力.

由圖8可以看出,試板焊縫區(qū)域沖擊強(qiáng)度提高1倍后,焊縫區(qū)域表面拉應(yīng)力降為壓應(yīng)力,形成的壓應(yīng)力約在-200 ～-350 MPa,由于與焊縫相鄰的母材區(qū)域沖擊前拉應(yīng)力不高,在較小的沖擊強(qiáng)度5 s/cm2下拉應(yīng)力也變?yōu)榱藟簯?yīng)力.

比較試板C、D測試結(jié)果可知,通過提高沖擊強(qiáng)度可以在表面獲得較大的壓應(yīng)力.研究表明超聲沖擊作用深度約1.5～1.7 mm[10],試板D采用的是焊后表面沖擊方式,改善了表面殘余應(yīng)力狀態(tài),試板C采用的是各道層均沖擊方式,表面殘余應(yīng)力得到改善的同時,內(nèi)部沖擊對內(nèi)部應(yīng)力也將起到一定的作用,其作用貢獻(xiàn)大小還有待于進(jìn)一步研究.

圖7 超聲沖擊區(qū)域(單位：mm)Fig.7 Region of UIT(unit：mm)

圖8 試板C與D殘余應(yīng)力測試結(jié)果Fig.8 Test result of plate C and D residual stress

3 結(jié)論

(1) 采用焊縫內(nèi)部道層超聲沖擊方式,焊縫表面中心縱向應(yīng)力消除率達(dá)28%,橫向應(yīng)力消除率達(dá)104%,有效降低了接頭表面殘余應(yīng)力;

(2) 采用焊縫各層均超聲沖擊方式,焊縫表面中心縱向應(yīng)力消除率達(dá)51%,橫向應(yīng)力消除率達(dá)214%,接頭表面呈現(xiàn)較小的拉壓殘余應(yīng)力特征;

(3) 采用焊后表面超聲沖擊方式并在高的沖擊強(qiáng)度下時,焊縫表面中心形成了-200～-350 MPa的壓應(yīng)力.