超聲沖擊對SMA 490BW耐候鋼焊接殘余應力的影響

榮 豪，周 偉，陳 輝，張衛(wèi)華

(1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川成都610031；3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

超聲沖擊對SMA 490BW耐候鋼焊接殘余應力的影響

榮 豪1，周 偉2，陳 輝2，張衛(wèi)華3

(1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川成都610031；3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

對SMA 490BW耐候鋼進行氣保焊焊接，利用超聲沖擊設備對焊接對接接頭進行超聲處理，并通過盲孔法對超聲沖擊前后的殘余應力進行測試及分析。結(jié)果表明，超聲沖擊對于焊縫及其附近區(qū)域殘余應力的降低效果十分明顯，橫向殘余應力消除率最高達161%，縱向殘余應力最高達118%；超聲沖擊處理后，同一位置縱向殘余應力消除率較橫向殘余應力要大。

超聲沖擊；盲孔法；殘余應力；耐候鋼

0 前言

高速列車轉(zhuǎn)向架采用焊接方法組裝，焊接殘余應力是幾乎無法避免的缺陷[1]。焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應力稱之為焊接應力，按作用時間可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。焊接過程中，某一瞬時的焊接應力稱之為焊接瞬時應力，它隨時間而變化。焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應力稱之為焊接殘余應力。對于鋼結(jié)構(gòu)而言，焊接殘余應力和變形是影響結(jié)構(gòu)斷裂強度、疲勞強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。焊接殘余應力大大降低了焊接部位材料有效比例極限，是結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的主要原因之一[2]。在焊件服役過程中[3]，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應力和其所受載荷引起的工作應力相互疊加，使之產(chǎn)生二次變形和殘余應力的重新分布，這不但會降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。許多災難性破壞事故大多是由于結(jié)構(gòu)中的殘余應力引起的[4]。因為焊接固有的殘余應力存在，機車轉(zhuǎn)向架焊接后若有較大的拉伸應力，會導致機車行車安全存在極大的隱患，故需要采用適當?shù)姆椒ń档秃拖龤堄鄳Α?/p>

工廠常常采用熱處理退火、拋丸等辦法來降低和消除焊接殘余應力，但熱處理爐子占地大，退火能耗高，時效周期較長，有煙氣粉塵廢渣排放，費用較高；而拋丸設備費用高、處理成本高、工作時間長、拋丸回收和噴丸傷人等缺點。I.K.Vagapov等人通過對焊接板材經(jīng)過熱處理后和超聲沖擊后殘余應力分布的對比研究后得出結(jié)論，超聲沖擊是一種有效的降低殘余應力水平的方法[5]。由于焊接殘余應力往往是由于焊接過程中的受熱不均勻而導致的應力場重新分布，焊接結(jié)構(gòu)殘余應力較集中的部位是靠近焊縫附近位置及熱影響區(qū)。中國兵器科學研究院宋建民等人對45號鋼和22SiMn2TiB進行超聲沖擊處理后，在焊趾處表面形成了壓應力層，將焊趾處殘余拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Α_擊前、后的縱向殘余應力均值為169MPa、-63MPa，下降率137%；沖擊前、后的橫向殘余應力均值為296MPa、-49MPa，下降率117%[6]。超聲沖擊設備占地小，不受工件材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量的限制，使用靈活方便。如若采用超聲沖擊設備對這些部位進行沖擊，達到降低或消除殘余應力的目的，對工程實際應用有重要的作用。

在此利用超聲沖擊方法消除轉(zhuǎn)向架材料SMA 490BW耐候鋼焊接殘余應力，探討超聲沖擊對轉(zhuǎn)向架材料焊接接頭殘余應力的影響，根據(jù)試驗結(jié)果探討超聲沖擊處理應用于轉(zhuǎn)向架焊接殘余應力消除的可行性。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

使用高速列車轉(zhuǎn)向架用材料SMA 490BW耐候鋼，采用CHW-550焊絲進行焊接，焊絲直徑φ 1.2 mm。SMA 490BW和CHW-55CNH焊絲的主要化學成分如表1、表2所示。

表1 SMA 490BW焊接結(jié)構(gòu)用耐大氣腐蝕熱軋鋼材化學成分 %

1.2 焊接工藝

采用專用打磨工具清除兩塊板(尺寸500 mm× 250 mm×8 mm)對接接口附近的氧化皮，用丙酮清潔接口處位置，將板材對接，采用φ(Ar)80%+φ(CO2) 20%混合保護氣體焊進行焊接。焊接工藝參數(shù)為：電流255 A，電壓32.5 V，焊接速度390 mm·min-1，混合氣體流量13 L／min。

表2 CHW-35CNH焊絲主要化學成分 %

2 超聲沖擊處理

首先用角磨機打磨掉焊縫余高，使焊縫與母材處于同一平面，為盲孔法測試殘余應力提供條件，然后采用HY2050型豪克能焊接應力消除設備分別對焊趾、熱影響區(qū)和母材進行全覆蓋超聲沖擊處理。沖擊處理時，圓形沖擊針反復沖擊焊趾部位，直到?jīng)_出大約2 mm深的明顯壓痕為止。換用平板沖擊頭垂直于熱影響區(qū)和母材區(qū)域表面進行沖擊，沖擊速度500mm／min，電流1.8～2.0 A，振動頻率20 kHz。超聲沖擊過程和沖擊后形貌如圖1、圖2所示。

圖1 沖擊處理中

圖2 沖擊處理后

3 焊接殘余應力測試

將焊接好的板從垂直于焊縫中心位置分為兩部分，一部分為沖擊前原始數(shù)據(jù)區(qū)，另一部分為沖擊區(qū)。對兩個區(qū)域分別采用盲孔法進行焊接殘余應力測試，如圖3～圖6所示。測試標準參照GB 3395-92殘余應力測試方法，鉆孔應變釋放法。

圖3 帖應變片

圖4 連線

圖5 貼片完成后烘干

圖6 測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)果和分析

超聲沖擊前后橫向、縱向殘余應力對比如圖7、圖8所示，焊縫寬度14mm。當d＝0時，表示測試點位于焊縫中心；當d＝5 mm時，表示測試點位于距焊縫中心5 mm處；當d＝7 mm時，表示測試點位于焊趾處；當d為其他值時，表示測試點位于距焊縫中心對應d數(shù)值距離的位置，即測試點位于熱影響區(qū)及母材區(qū)域。負號表示方向，即為壓應力。

圖7 超聲沖擊前后橫向殘余應力對比

圖8 超聲沖擊前后縱向殘余應力對比

由圖7、圖8可知，經(jīng)過超聲沖擊處理后，焊縫、焊趾、近焊縫區(qū)(熱影響區(qū))的橫向殘余應力有較為明顯的下降趨勢。焊縫中心處應力值由241 MPa降至89 MPa，應力消除率63%；距離焊縫中心5 mm處應力值由437MPa降至136MPa，應力消除率69%；距離焊縫中心7mm處，即焊趾處，應力值由265 MPa降至-49 MPa，應力消除率118%?？v向應力亦有類似的趨勢，焊縫中心處應力由222 MPa降至-93MPa，應力消除率142%；距離焊縫中心5 mm處應力值由350MPa降至-215 MPa，應力消除率161%；距離焊縫中心7 mm處，即焊趾處，應力值由244 MPa降至-117 MPa，應力消除率148%，縱向殘余應力消除率較橫向殘余應力要大。此外，母材的殘余應力出現(xiàn)了一定程度的上升，但都是處于壓應力狀態(tài)，由于焊接殘余應力對于母材尤其是離焊縫較遠的母材區(qū)域影響較小，所以焊接件的安全性能不會受到影響。由于此次實驗采用的板材縱向尺寸較小，且采用盲孔法進行測試(盲孔法需要保證相鄰的兩個測試點間保持一定的距離)，故實驗中測試點數(shù)量相對較少，但通過本次實驗仍然可以看出，超聲沖擊對于焊接殘余應力消除具有明顯效果。

5 結(jié)論

(1)超聲沖擊對于降低焊縫及其附近區(qū)域殘余應力效果明顯，橫向殘余應力消除率最高達118%，縱向殘余應力消除率最高達161%。

(2)經(jīng)超聲沖擊處理后，同一位置的縱向殘余應力消除率較橫向殘余應力要大。

(3)若進一步深入尋找超聲沖擊的最佳工藝參數(shù)，將其應用于高速列車轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)過程中，具有巨大的工程意義。

[1]王曉宇.高溫焊接對16MnR鋼焊接殘余應力的影響及機理[D].沈陽：遼寧石油化工大學，2010.

[2]張俊寶.基于Push-over分析的梁柱焊接節(jié)點抗震性能研究[D].天津：天津大學，2003.

[3]安俊偉.焊接殘余應力對梁柱節(jié)點抗震性能的影響[D].天津：天津大學，2005.

[4]陳會麗，鐘 毅，王華昆，等.殘余應力測試方法的研究進展[J].云南冶金，2005，34(3)：123-124.

[5] Vagapov I K，Ganiyev M M，Shinkaryov A S.Studies of ultrasonic impact machining influence on the value and distribution of residual stresses in welded blanks[J].Russian Aeronautics，2005，48(2)：85-90.

[6]宋建民，王有祁，王冬生，等.焊接殘余應力的測試及研究[J].兵器材料科學與工程，2007，30(2)：59-63.

Research on the residual stress of SMA 490BW atmospheric corrosion resistant steel treated by ultrasonic impacting

RONG Hao1，ZHOU Wei2，CHEN Hui2，ZHANG Wei-hua3
(1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China；2.School of Material Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；3.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Gas shielded welding was done on SMA490 BW atmospheric corrosion resistant steel，and ultrasonic impact treatment was made to the welded butt joint by ultrasonic impact equipment.The residual stresses were tested and analyzed before and after ultrasonic impact by adopting blind-hole method.Finally,the results show that there is obvious effect on residual stress elimination of welding seam and its area nearby after ultrasonic impact treatment.The highest elimination rate of longitudinal residual stress reaches 161%，while the horizontal residual stress could reach 118%.Moreover，the longitudinal residual stress has a bigger elimination rate than that of horizontal one at the same position.

ultrasonic impact；blind-hole method；residual stress；atmospheric corrosion resistant steel

TG404

A

1001-2303(2011)11-0065-04

2011-07-10

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG12A04-B02)

榮 豪(1979—)，男，河南焦作人，工程師，碩士，主要從事高速列車轉(zhuǎn)向架制造工藝工作。