超聲沖擊處理對高強(qiáng)鋼多道焊接焊縫力學(xué)性能的影響研究*

劉 川，沈嘉斌，林昌華，王劍飛

(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

超聲沖擊處理(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)是通過超聲電源發(fā)生器(超聲高頻振蕩電源)將50 Hz工頻交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻20 kHz的交流電，用以激勵振動系統(tǒng)的換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成同樣頻率的機(jī)械振動，再由變幅桿將機(jī)械振動的振幅放大并驅(qū)動沖擊針以較高頻率撞擊工件表面使其產(chǎn)生一定厚度的塑性變形和殘余壓應(yīng)力的一種冷加工工藝，是一種具有強(qiáng)化接頭和調(diào)控應(yīng)力雙重效果的能顯著提高接頭服役性能(特別是疲勞性能)的表面強(qiáng)化方法[1-5]。焊接完成后進(jìn)行焊趾或焊縫全覆蓋超聲沖擊處理，能改善焊趾幾何形狀、降低應(yīng)力集中[2]；使表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力、消除缺陷、細(xì)化表面層晶粒使得表面強(qiáng)化和硬化；最終提高構(gòu)件的疲勞壽命、改善處理區(qū)域表層材料的耐磨性、耐腐蝕性等[4, 6-7]。該方法具有重量輕、體積小、操作靈活等特點，適合焊接結(jié)構(gòu)調(diào)控應(yīng)力和強(qiáng)化接頭性能。超聲沖擊處理技術(shù)已經(jīng)在海洋鉆井平臺、橋梁、機(jī)車車輛等諸多領(lǐng)域廣泛使用或即將應(yīng)用，并且適合碳鋼、鈦合金、鋁合金等多種材料，其相關(guān)效應(yīng)、優(yōu)勢和應(yīng)用也不斷得到開發(fā)。

常規(guī)超聲沖擊處理應(yīng)用方式僅僅針對試樣表面處理。本文將超聲沖擊處理用于低合金高強(qiáng)鋼多道焊接接頭的內(nèi)部焊縫處理，采用沖剪試驗法評價焊接接頭各區(qū)域局部材料的力學(xué)性能，結(jié)合硬度測試研究逐層超聲沖擊處理和局部內(nèi)部焊道超聲沖擊處理對接頭力學(xué)性能的影響。

1 試驗試板制備

1.1 焊接試板

制造了三個尺寸為301 mm×350 mm×30 mm的EQ70低合金高強(qiáng)鋼焊接試板(編號1#，2#和3#)，其坡口形式為V形坡口，坡口角度為60°，鈍邊3 mm，坡口間隙1 mm，如圖1所示。母材EQ70鋼為海洋鉆井平臺用低合金高強(qiáng)鋼，其屈服強(qiáng)度為722 MPa，抗拉強(qiáng)度為802 MPa。焊接方法為手工電弧焊，焊條牌號為焊條牌號為FOX EV 11018/AWS 11018-GH4R，熔覆金屬材料的屈服強(qiáng)度為780 MPa，抗拉強(qiáng)度為840 MPa。焊接時先填充坡口上部，然后進(jìn)行清根處理，再填充坡口下部。三個試板的焊接工藝參數(shù)基本相同，見表1。

圖1 焊接試板尺寸和坡口形式

表1 焊接工藝參數(shù)

1.2 超聲沖擊處理

1#試板按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行焊接，2#試板采用局部焊道進(jìn)行超聲沖擊處理，即焊接過程中僅對幾個焊道進(jìn)行處理。3#試板采用逐層超聲沖擊處理方式，即每層焊接完后對焊縫進(jìn)行超聲沖擊，然后進(jìn)行后續(xù)的焊接。采用的超聲沖擊設(shè)備型號為JSKD-D型，激勵頻率為20 kHz，沖針直徑Ф3 mm，沖擊槍重量為4 kg。沖擊參數(shù)為 10 s/cm2。沖擊針撞擊試樣表面的沖擊頻率約為70 Hz。沖擊過程僅在沖擊槍的自重作用下手持平穩(wěn)工作，目測沖擊凹痕覆蓋均勻。沖擊過程及沖擊后的焊縫形貌如圖2所示。

圖2 超聲沖擊處理過程及沖擊后焊縫形貌

圖3所示為三個試板的焊接順序，其中內(nèi)部焊道沖擊位置以紅色虛線標(biāo)記(圖3(b)和圖3(c))。圖中看出，盡管三個試板對應(yīng)焊道的熱輸入差距不大，但是由于沖擊處理造成焊道塑性變形和厚度減小，沖擊處理后焊道數(shù)增加。由于沖擊設(shè)備的沖擊頭較大，3#試板的27、28和29道焊道表面沒有沖擊到。圖4所示為三個試板的焊縫形貌。

圖3 各試板的焊接順序及超聲沖擊處理位置示意

圖4 三個試板的焊縫形貌

2 接頭力學(xué)性能評價

為了反映不同處理方式試板內(nèi)部焊縫的局部力學(xué)性能變化，本文采用沖剪法試驗手段來測試焊縫小區(qū)域的力學(xué)性能，獲得焊縫沿厚度和沿橫向方向的力學(xué)性能變化。

沖剪試驗方法(Shear-Punch Test，SPT)是一種有效評價局部材料力學(xué)性能的方法。該方法的原理如圖5所示。采用小直徑平頭沖針以恒定速度將薄片狀試樣沖穿，記錄沖針上的載荷-位移曲線來計算小區(qū)域材料力學(xué)性能[8]。

圖5 沖剪試驗法原理示意圖

本文采用的沖剪設(shè)備示意圖如圖6(a)所示。載荷加載到力傳感器上推動沖桿下壓，沖桿推動沖針穿透放在下模中的試樣，力傳感器采集記錄加載到?jīng)_桿上的載荷，位移傳感器測試沖桿的位移量，最終獲得圖6(b)所示的典型沖剪載荷-位移曲線，對該曲線進(jìn)行分析處理能獲得所測試的小區(qū)域材料相關(guān)力學(xué)性能。

圖6 沖剪法設(shè)備示意及典型載荷-位移曲線

制備沖剪試樣時，先通過電火花線切割厚度為0.60±0.02 mm的長100 mm、寬10 mm的矩形薄片，隨后對該薄片采用砂紙拋光，最終的沖剪試樣厚度為0.50±0.02 mm。本文沖剪試樣的取樣位置和測試后的試樣如圖7所示。每個試件上取三組沖剪試樣進(jìn)行試驗，并取每個點的平均值分析。本文沖剪試驗的載荷由電子拉伸試驗機(jī)提供，下壓速度在準(zhǔn)靜態(tài)(0.01 mm/min)條件下進(jìn)行，沖針直徑為2 mm，下?？字睆綖?.2 mm。

圖7 沖剪試樣取樣位置和測試后試樣

測試點材料的力學(xué)性能如屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度無法直接從沖剪載荷-位移曲線上獲得。可通過不同類型的材料做大量沖剪試驗，建立沖剪試驗結(jié)果與傳統(tǒng)拉伸試驗結(jié)果的線性方程，找到兩者之間的比例系數(shù)來計算對應(yīng)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[9]。

本文為了比較三種接頭各區(qū)域的力學(xué)性能差異，定義沖剪試驗過程的最大載荷除以剪切面(沖剪周長與試樣厚度的乘積)為沖剪強(qiáng)度τsp，如式(1)：

τsp=Pmax/(2πravgt)

(1)

式中：Pmax為沖剪試驗的最大載荷，N，t為沖剪試樣的厚度，mm；，ravg為沖針半徑與下?？装霃降钠骄?，mm。

本文也測試了三個試板的整個焊縫上的維氏硬度分布，硬度測試的加載載荷為500 g，保持時間為15 s，測試間距為1 mm×1 mm。

3 結(jié)果和討論

畫出距離焊縫上表面3、7、13、17 mm位置和焊縫中心位置(圖8中的L1～L5線，圖中黑點為沖剪法測試點，母材的測試位置未標(biāo)記在圖中)的沖剪強(qiáng)度分布如圖9所示。母材各測試點的沖剪強(qiáng)度結(jié)果基本一致，取平均值畫在圖9中。

圖9 三個接頭不同位置的沖剪強(qiáng)度分布

圖8 沖剪測試點和力學(xué)性能評價線

圖9(a)～(d)中看出，逐層超聲沖擊處理接頭(3#)各位置焊縫的沖剪強(qiáng)度比無處理接頭(1#)和局部超聲沖擊處理接頭(2#)的沖剪強(qiáng)度高，說明逐層超聲沖擊處理能提高焊縫強(qiáng)度。距離上表面3 mm和7 mm位置(圖9(a)和(b))，局部焊道超聲沖擊處理(2#)焊縫的沖剪強(qiáng)度高于無處理接頭(3#接頭)，這是因為2#接頭表面超聲沖擊處理(圖3(b)所示)造成表層材料塑性變形和應(yīng)變硬化，從而2#接頭一定深度的強(qiáng)度得到一定程度提高。距上表面13 mm位置(圖9(c))，1#和2#接頭沒有經(jīng)過處理(圖3所示)，故兩者焊縫和熱影響區(qū)域的沖剪強(qiáng)度基本一致，也說明表層超聲沖擊處理對該位置材料強(qiáng)度沒有影響。距上表面17 mm位置(圖9(d))，2#接頭該位置附近的焊道進(jìn)行了超聲沖擊處理，故測試的焊縫沖剪強(qiáng)度和逐層超聲沖擊處理接頭(3#)基本一致。圖9(e)中看出，逐層超聲沖擊處理的接頭(3#)焊縫中心位置的沖剪強(qiáng)度整體高于其余兩種接頭(除靠近下表面位置)?？拷卤砻嫖恢玫臎_剪強(qiáng)度沒有規(guī)律，可能是清根深度不同，以及邊緣測試結(jié)果誤差所致。圖9(e)也可以看出，三個試板上層區(qū)域的沖剪強(qiáng)度大于下部區(qū)域，這可能是后續(xù)焊道對先焊接焊道的熱處理作用造成的。圖9(e)中，距上表面27 mm位置，無超聲沖擊處理焊縫測試的沖剪強(qiáng)度比經(jīng)過沖擊處理焊縫的強(qiáng)度高，該現(xiàn)象可能是超聲材料軟化效應(yīng)引起的。超聲沖擊處理時，沖擊針撞擊試樣，引起表層材料塑性變形和硬化，同時超聲發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波也傳到材料中，造成一定深度材料的強(qiáng)度有所降低，該現(xiàn)象即超聲波誘導(dǎo)的材料軟化效應(yīng)[7]。超聲沖擊處理EQ56高強(qiáng)鋼焊接接頭也出現(xiàn)超聲軟化效應(yīng)造成一定深度材料強(qiáng)度降低現(xiàn)象[10]。圖3中看出，局部超聲沖擊處理和逐層超聲沖擊處理接頭的背面焊縫僅經(jīng)過表面沖擊處理，由于超聲材料軟化效應(yīng)，一定深度的材料的強(qiáng)度會有所降低，故測試的沖擊處理后接頭距上表面27 mm位置的沖剪強(qiáng)度低于未處理接頭該位置的強(qiáng)度。

圖9結(jié)果說明沖剪試驗可以獲得焊縫各區(qū)域的強(qiáng)度，且能表征焊接接頭沿厚度和沿橫向的強(qiáng)度變化趨勢；逐層超聲沖擊處理可以提高焊縫各位置的強(qiáng)度；局部焊道超聲沖擊處理對焊縫強(qiáng)度的改善有限。超聲沖擊處理具有誘導(dǎo)基體中元素與氧發(fā)生氧化反應(yīng)的效應(yīng)(機(jī)械化學(xué)氧化效應(yīng))，沖擊針上的元素也會過渡到基材中形成氧化物夾雜(元素轉(zhuǎn)移效應(yīng))[11-12]。逐層超聲沖擊處理利用了這種機(jī)械化學(xué)氧化效應(yīng)使得焊縫中的氧化物和含氧量增加，改變了后續(xù)焊道的熔池結(jié)晶形核方式，促進(jìn)針狀鐵素體形核，從而細(xì)化焊縫晶粒，提高焊縫強(qiáng)度和韌性[13]。

圖10所示為3個試板焊縫維氏硬度分布?？梢钥闯?，經(jīng)過逐層超聲沖擊處理后焊縫的顯微硬度相對未處理接頭和局部焊道處理接頭的顯微硬度整體較高，且分布均勻。局部焊道超聲沖擊處理方式對焊縫硬度分布影響不顯著。該結(jié)果與沖剪法測試得到的逐層沖擊處理使得焊縫內(nèi)部整體強(qiáng)度提高的結(jié)論基本一致。

圖10 焊縫維維氏硬度分布(Hv0.5)

4 結(jié) 論

本文采用沖剪法測試低合金高強(qiáng)鋼多道焊接接頭各區(qū)域的強(qiáng)度，研究逐層超聲沖擊處理和局部焊道超聲沖擊處理對接頭強(qiáng)度的影響。得到的主要結(jié)論如下：

1)沖剪法能測試焊接接頭各區(qū)域(特別是焊縫和熱影響區(qū))的強(qiáng)度，能表征焊接接頭沿厚度和沿橫向方向的強(qiáng)度變化趨勢；

2) 逐層超聲沖擊處理能提高高強(qiáng)鋼多道焊接接頭的焊縫整體強(qiáng)度；

3)逐層超聲沖擊處理焊縫的硬度提高且呈現(xiàn)均勻化分布；局部焊道超聲沖擊處理對焊縫硬度分布的影響不顯著。