復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力超聲沖擊處理調(diào)控

鄒家生，沈嘉斌，劉 川

(江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

由于焊接過程的局部受熱不均勻、加熱冷卻速度快特點，焊接后會在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1]。焊接殘余應(yīng)力是形成各種焊接缺陷的重要因素，也是造成焊接熱應(yīng)變脆化的根源[2]。眾多研究表明，焊接殘余應(yīng)力是加速焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞的重要原因，也是影響焊接結(jié)構(gòu)蠕變性能的重要因素[3]，并影響裂紋尖端張開位移(CTOD)設(shè)計曲線[4]。對管道進(jìn)行晶間應(yīng)力腐蝕裂紋分析必須計入焊接殘余應(yīng)力的影響[5]。

以上分析表明，焊接對焊接結(jié)構(gòu)的服役安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，且受眾多因素影響，分布復(fù)雜。因此，研究焊接殘余應(yīng)力的形成機(jī)理、特點與影響，并采取合適的調(diào)控措施，對于提高焊接結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和服役性能具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的應(yīng)力變形調(diào)控方法如熱處理、噴丸、熔修、振動時效和錘擊等工藝已經(jīng)在焊接工程中廣泛使用且效果明顯[6]，但對于船舶、海洋平臺之類具有大量強(qiáng)拘束短焊縫的大厚度高強(qiáng)度鋼大型焊接結(jié)構(gòu)，以上方法實施起來具有明顯的局限性。如：整體熱處理和振動時效方法需要更大的加熱和振動設(shè)備，處理周期長；局部加熱、噴丸、碾壓和熔修法也由于現(xiàn)場施工和露天作業(yè)適應(yīng)性差而受到限制；錘擊方法存在勞動強(qiáng)度高、效率低、效果不明顯等問題[7]。大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)需要適合現(xiàn)場作業(yè)、狹小空間可操作、效果明顯的應(yīng)力變形調(diào)控方法。

超聲沖擊處理(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)是通過超聲發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波驅(qū)動沖擊針高速撞擊工件表面，使表面產(chǎn)生塑性變形并在表面引入壓應(yīng)力[8]。超聲沖擊處理因其設(shè)備簡單、操作方便和現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于海洋工程、核電、橋梁等行業(yè)[9-10]。現(xiàn)有研究表明，超聲沖擊處理不僅可以改變焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力分布[11-12]、改善焊趾部位形貌減小應(yīng)力集中[13]，還可以細(xì)化焊縫組織[14-16]，從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。GAO等[17]認(rèn)為，超聲沖擊處理兼顧了TIG熔修(改善焊趾形貌)和噴丸(產(chǎn)生壓縮應(yīng)力、局部塑性變形和晶粒細(xì)化)的特點，沖擊造成的塑性變形加強(qiáng)了超聲波所引起的材料軟化效應(yīng)，使應(yīng)力集中區(qū)域的殘余應(yīng)力均勻化，并可減少晶格畸變。

本文通過概述國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于超聲沖擊對焊接殘余應(yīng)力影響的研究成果，結(jié)合超聲沖擊處理在海工復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的典型應(yīng)用，得出超聲沖擊處理對復(fù)雜結(jié)構(gòu)表層焊接殘余應(yīng)力及其分布具有明顯優(yōu)化效果的結(jié)論。

1 超聲沖擊處理對應(yīng)力調(diào)控研究現(xiàn)狀

1.1 超聲沖擊處理原理及設(shè)備

超聲沖擊處理是一種以針式?jīng)_擊來消除殘余應(yīng)力的方法，它是以超聲發(fā)生器為激勵源，通過壓電陶瓷或磁致伸縮方式將超聲頻電源產(chǎn)生的高頻震蕩信號(大于18 kHz)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，再經(jīng)過變幅桿將振幅由幾微米放大到幾十微米，振動由沖擊針傳遞到金屬表面，在金屬表面及次表面產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到消除表層拉伸殘余應(yīng)力的目的。超聲沖擊處理示意圖見圖 1。

圖1 超聲沖擊處理示意圖

超聲沖擊處理后的內(nèi)部殘余應(yīng)力分布見圖 2。超聲沖擊處理試件后，表層0.01～0.1 mm區(qū)域為白亮層(增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐腐蝕性和耐磨性)，距表面1～1.5 mm深度為塑性變形層，該兩層內(nèi)的應(yīng)力可由拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓縮應(yīng)力；距表面3～5 mm的沖擊松弛層內(nèi)應(yīng)力可降低70%，距表面10～15 mm的超聲松弛層內(nèi)應(yīng)力可降低50%[18]。由于超聲沖擊的應(yīng)力松弛作用，16 mm厚690 MPa級別的高強(qiáng)鋼焊接接頭的焊趾位置經(jīng)超聲沖擊處理后可引起深度達(dá)到6～8 mm的焊接殘余應(yīng)力降低[17]。

圖2 超聲沖擊處理后的內(nèi)部殘余應(yīng)力分布[18]

本實驗使用JSKD-D型超聲沖擊設(shè)備，超聲電源產(chǎn)生超聲波頻率為20 kHz。實驗過程中采用四針頭進(jìn)行沖擊，沖擊針直徑為3 mm。

1.2 超聲沖擊處理對殘余應(yīng)力影響

超聲沖擊處理的顯著特點是能在處理層表面形成壓縮應(yīng)力。本文規(guī)定平行焊縫方向的應(yīng)力為縱向應(yīng)力，垂直于焊縫方向的應(yīng)力為橫向應(yīng)力。304不銹鋼材料經(jīng)超聲沖擊處理后表層的壓應(yīng)力深度達(dá)到1～2 mm，遠(yuǎn)大于高壓水射流噴丸和激光噴丸技術(shù)造成的壓應(yīng)力深度(100～200 μm)[19]，并且超聲沖擊處理的壓應(yīng)力峰值超過材料的屈服強(qiáng)度。饒德林等[11]對Q345D進(jìn)行超聲沖擊處理，測得表面壓應(yīng)力層接近3 mm。KHURSHID等[20]發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度等級鋼(屈服強(qiáng)度分別為355、700、960 MPa)經(jīng)超聲沖擊處理后都能造成達(dá)到2 mm深的壓縮殘余應(yīng)力層，且鋼材屈服強(qiáng)度越高，沖擊產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力值越大。朱海洋等[9]研究認(rèn)為，超聲沖擊處理高強(qiáng)鋼后，表面壓縮應(yīng)力峰值能達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的0.8倍(X射線衍射法測試結(jié)果)，2 mm深度內(nèi)的壓縮應(yīng)力幅值能達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的1.3倍(小孔法測試結(jié)果)。以上研究表明，超聲沖擊處理對不同強(qiáng)度等級金屬材料的應(yīng)力調(diào)控都有明顯效果，且能造成達(dá)到約2 mm深度的壓縮應(yīng)力，壓縮應(yīng)力峰值達(dá)到0.8～1.3倍的材料屈服強(qiáng)度。LIU等[21]對50 mm厚Q345D鋼拘束態(tài)試樣進(jìn)行超聲沖擊處理，采用XRD(X射線衍射法)、小孔法和輪廓法測試了表面應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)拘束試樣的表面橫向和縱向應(yīng)力呈現(xiàn)為峰值達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力且整個板寬都為拉伸應(yīng)力，經(jīng)過超聲沖擊處理后其表層的橫向和縱向拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為幾乎一致的達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的壓縮應(yīng)力，見圖3。從圖中看出，說明超聲沖擊處理對超過屈服強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力同樣有效，對橫向和縱向應(yīng)力的作用效果一致，且對沖擊區(qū)域外的表面應(yīng)力沒有顯著影響。

圖3 拘束試板超聲沖擊處理前后的表面應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力是自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。超聲沖擊處理后，試樣表層出現(xiàn)了壓縮應(yīng)力，為保持應(yīng)力平衡，其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)該有所變化。LIU等[22]采用小孔法測試了45 mm厚EQ56鋼對接試板局部超聲沖擊處理前后的表層應(yīng)力，并采用輪廓法測試內(nèi)部應(yīng)力分布，測試結(jié)果和有限元計算的焊態(tài)應(yīng)力分布進(jìn)行比較，測試結(jié)果見圖4。研究結(jié)果表明：超聲沖擊處理能引起表層2～4 mm深度的壓縮應(yīng)力，且超聲沖擊處理對表面橫向和縱向拉應(yīng)力的作用效應(yīng)一致，即超聲沖擊處理具有可同時調(diào)控橫向和縱向應(yīng)力的特點；由于表面的拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，內(nèi)部的橫向和縱向壓縮應(yīng)力有所升高，但不改變內(nèi)部應(yīng)力分布趨勢。

圖4 45 mm厚EQ56焊接試板超聲沖擊處理前后的應(yīng)力變化

2 超聲沖擊處理對典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力調(diào)控

2.1 海洋鉆井平臺軸承座結(jié)構(gòu)應(yīng)力調(diào)控

軸承座焊接結(jié)構(gòu)為自升式海洋鉆井平臺結(jié)構(gòu)一部分，由多塊形狀復(fù)雜、厚度不一的高強(qiáng)鋼焊接而成。軸承座材質(zhì)為A514Q，厚度為260 mm；月牙板、肋板厚度為38 mm，材質(zhì)為EQ47，理論屈服強(qiáng)度為460 MPa，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。對于該類由不同厚度、不同材質(zhì)焊接而成且多焊縫交錯相互拘束的結(jié)構(gòu)，焊接殘余應(yīng)力分布復(fù)雜且容易在焊縫中出現(xiàn)三向應(yīng)力集中。有限元數(shù)值計算的該結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力分布見圖6。從圖中可以看出，肋板—軸承座焊縫出現(xiàn)了X、Y、Z方向非常大的拉伸應(yīng)力，月牙板—軸承座焊縫的Y向應(yīng)力、肋板—月牙板焊縫的X方向應(yīng)力也呈現(xiàn)為高拉伸應(yīng)力。手動超聲沖擊處理非常適合與該類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力調(diào)控。圖7為肋板—軸承座焊縫局部沖擊后肋板上測試的應(yīng)力分布。經(jīng)超聲沖擊處理后，焊縫處理區(qū)域的X方向和Z方向應(yīng)力(肋板—月牙板焊縫的橫向和縱向應(yīng)力)由300～500 MPa的高拉伸應(yīng)力降低為-600 MPa的壓縮應(yīng)力，且橫向縱向應(yīng)力的壓縮應(yīng)力一致。

圖5 軸承座示意圖(單位：mm)

圖6 軸承座結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力分布及超聲沖擊處理(單位：mm)

2.2 超聲沖擊對自升式鉆井平臺樁腿管應(yīng)力調(diào)控

自升式鉆井平臺樁腿管節(jié)點焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括管—半圓板相貫焊接、管板焊接等多種不規(guī)則焊縫，且各構(gòu)件材料不同，焊接殘余應(yīng)力分布復(fù)雜。焊接后在管板焊縫、管—半圓板焊縫及其焊趾位置出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，易降低樁腿的疲勞壽命。該類結(jié)構(gòu)焊縫區(qū)域窄小，而超聲沖擊方法能靈活應(yīng)用在該類結(jié)構(gòu)上。采用超聲沖擊處理管—半圓板焊縫前后的應(yīng)力分布見圖8。從圖中看出，經(jīng)超聲沖擊處理后，管—半圓板焊縫上接近600 MPa的拉伸應(yīng)力全轉(zhuǎn)化為-600～-800 MPa的壓縮應(yīng)力，特別是焊趾附近的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象完全得到消除。

圖7 肋板—軸承座焊縫超聲沖擊處理后殘余應(yīng)力分布

圖8 樁腿關(guān)節(jié)點超聲沖擊處理前后的應(yīng)力分布

3 結(jié)論

本文介紹了超聲沖擊處理的特點和優(yōu)勢，重點介紹其焊接殘余應(yīng)力影響的最新研究成果及在復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)上的典型應(yīng)用和效果。主要結(jié)論如下：

(1)超聲沖擊處理對不同強(qiáng)度等級鋼都有顯著的應(yīng)力調(diào)控效果，造成沖擊區(qū)域產(chǎn)生深度達(dá)到約2～4 mm的壓縮應(yīng)力層。

(2)超聲沖擊處理造成的壓縮應(yīng)力峰值能達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的0.8～1.3倍。

(3)超聲沖擊處理對橫向和縱向拉伸應(yīng)力(甚至超過材料屈服強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力)具有相同的調(diào)控效果，沖擊區(qū)域的表層橫向和縱向壓縮應(yīng)力幅值和分布趨勢基本一致；超聲沖擊處理對沖擊區(qū)域外的表層應(yīng)力沒有顯著影響。

(4)結(jié)構(gòu)經(jīng)超聲沖擊處理后，表面的拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，內(nèi)部的橫向和縱向壓縮應(yīng)力有所升高，但不改變內(nèi)部應(yīng)力分布趨勢。

(5)超聲沖擊處理方法能靈活應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的窄小操作空間。在海工結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用表明：該方法將顯著降低局部焊縫的應(yīng)力集中，將拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，有利于結(jié)構(gòu)的服役性能。