超聲波振動(dòng)錘擊法消減焊接殘余應(yīng)力的應(yīng)用

倪春華，葉俊豹

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200123

1 序言

我國(guó)是鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)大國(guó)，隨著焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，為此焊后對(duì)消除或降低焊接殘余應(yīng)力的工藝需求也同步提高。超聲波振動(dòng)錘擊工藝是一種近年來新發(fā)展起來的焊后處理消應(yīng)力技術(shù)，具有能耗低、效率高等特點(diǎn)。在大厚板的施焊中，因?yàn)闃?gòu)件剛性較大，所以在構(gòu)件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力。由于構(gòu)件內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力的存在，隨著時(shí)間及環(huán)境變化等因素的影響，會(huì)直接影響到結(jié)構(gòu)件的靜載、動(dòng)載、疲勞和壓曲強(qiáng)度，以及斷裂柔韌性、尺寸穩(wěn)定性及抗腐蝕能力等性能，所以鋼結(jié)構(gòu)制作過程中對(duì)消除或降低焊道殘余應(yīng)力的摸索就顯得極其關(guān)鍵。本文以上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的新加坡龍門吊的厚板焊接為對(duì)象，研究超聲波振動(dòng)錘擊法對(duì)厚板焊縫應(yīng)力的影響，為后續(xù)生產(chǎn)提供借鑒。

2 焊接裂紋

焊接裂紋是大厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接件中最常見的一種嚴(yán)重缺陷，在其焊接殘余應(yīng)力、構(gòu)件本身剛性較大以及其他影響因素的共同作用下，焊接接頭局部應(yīng)力集中地區(qū)的金屬結(jié)合力遭到破壞，焊縫沿此產(chǎn)生開裂，并會(huì)在力的作用下不斷延伸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂失穩(wěn)，產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題及事故。為此如何避免裂紋產(chǎn)生，一直是焊接作業(yè)的重點(diǎn)之一。

焊接裂紋的產(chǎn)生是由多方面因素引起的，根據(jù)出現(xiàn)的類型，可簡(jiǎn)單分為冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋，其中冷裂紋在焊接生產(chǎn)過程中較為常見。其產(chǎn)生的三大影響因素為：①金屬的含氫量偏高。②焊縫接頭產(chǎn)生淬硬組織。③焊接拘束應(yīng)力（或應(yīng)變）。本文主要對(duì)冷裂紋的產(chǎn)生因素進(jìn)行探討。

新加坡龍門吊主梁為箱體結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域結(jié)構(gòu)屬于厚板焊接，板材為A709-50-2，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。板材最厚處可達(dá)50mm，采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊填充蓋面，焊材化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2。焊接過程中由于板材本身的剛性，以及拼裝后箱形梁所受拘束度的影響，焊接接頭區(qū)域會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力，所以焊后容易存在冷裂紋隱患。48h無損檢測(cè)后也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，部分焊接接頭出現(xiàn)裂紋缺陷。針對(duì)這種情況，對(duì)產(chǎn)生缺陷的焊縫進(jìn)行焊接返修，并對(duì)后續(xù)焊接接頭采用超聲波振動(dòng)錘擊法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行消應(yīng)力處理，進(jìn)一步降低裂紋的產(chǎn)生傾向。龍門吊厚板焊接施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

表1 龍門吊板材化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 龍門吊焊材化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖1 龍門吊厚板焊接施工現(xiàn)場(chǎng)

3 焊接殘余應(yīng)力

3.1 焊接殘余應(yīng)力的概念

鋼板焊接時(shí)焊道熔池會(huì)產(chǎn)生局部高溫，致使構(gòu)件上出現(xiàn)不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫熔池中心處溫度最高可達(dá)1600℃以上，隨著距離的加大，周邊區(qū)域溫度下降至室溫。因此高溫部分鋼板與鄰近低溫鋼板區(qū)域，因鋼板Z向厚度本身的剛性會(huì)產(chǎn)生一定的約束力，從而在焊道區(qū)域存在較高的內(nèi)應(yīng)力，并在焊接操作過程中隨著時(shí)間和溫度的變化而不停地變化，這稱為焊接應(yīng)力。

焊接應(yīng)力較高的區(qū)域會(huì)超出鋼材本身的屈服強(qiáng)度極限，從而出現(xiàn)塑性變形，這點(diǎn)在薄板焊接中較為常見。在厚板焊接中，由于鋼材拘束力所造成的焊縫冷卻過程中無法釋放的應(yīng)力，往往會(huì)殘存在焊道區(qū)域，這種情況稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力隨焊道的形態(tài)、方位、長(zhǎng)度，以及焊接的工藝、先后次序、焊接速率等條件而顯著不同。比較具有代表性的焊接殘余應(yīng)力為角焊縫焊腳處應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致產(chǎn)生的焊縫開裂現(xiàn)象。另外，焊件在高溫下不僅發(fā)生塑性和熱塑性，而且鋼材在高溫下的屈服強(qiáng)度和變形模量等都隨溫度升高而顯著降低或變化[1，2]。因而，顯得對(duì)于殘余應(yīng)力的高精度計(jì)算難度較大，當(dāng)下對(duì)各類典型構(gòu)件的殘余應(yīng)力常用試驗(yàn)方式進(jìn)行測(cè)定。

在鋼板厚度較小處，采用焊接形式連接的鋼結(jié)構(gòu)中，焊道的殘余應(yīng)力基本上都是兩個(gè)方向的，即縱向及橫向的殘余應(yīng)力，而在厚度方位的溫度比較均勻，焊接殘余應(yīng)力相對(duì)較小。只在較大厚度的焊接鋼結(jié)構(gòu)中，板厚方位的殘余應(yīng)力才能達(dá)到較大的數(shù)值。

3.2 厚板中沿板厚方向的焊接殘余應(yīng)力

厚板施焊是需采用多層多道焊的，在焊道厚度方向?qū)a(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，并且焊道表面與中間的溫度分布不均勻，也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其分布位置及方向與焊接參數(shù)密切相關(guān)。因此在厚板焊道區(qū)域的雙向（縱向和橫向）焊接殘余應(yīng)力，沿焊道厚度方向也是變化的，50mm厚板V形坡口多層焊沿厚度上的殘余應(yīng)力分布如圖2所示。一般情況下，當(dāng)焊道厚度在25mm以下時(shí)，基本上可以把焊接殘余應(yīng)力看成是平行雙向的，可以不將厚度方位及沿厚度方位平面應(yīng)力的大小變化作為參考。厚度方位垂直殘余應(yīng)力若與平面雙向殘余應(yīng)力較接近時(shí)，很容易使此區(qū)域材料變脆。

圖2 50mm厚板V形坡口多層焊沿厚度上的殘余應(yīng)力分布

4 超聲波振動(dòng)錘擊法

4.1 超聲波振動(dòng)錘擊法的原理

超聲波振動(dòng)錘擊處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿和手持式?jīng)_擊頭來組成的超聲波振動(dòng)錘擊設(shè)備來完成的。超聲波振動(dòng)錘擊設(shè)備原理如圖3所示。

圖3 超聲波振動(dòng)錘擊設(shè)備原理

由圖3可知，設(shè)備接通電源經(jīng)過超聲波換能器轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，傳遞到變幅桿產(chǎn)生高頻率振蕩推動(dòng)沖擊頭，在熔合線區(qū)域以20kHz/s以上的頻率錘擊焊道，使錘擊范圍表面產(chǎn)生特定深度的塑性變形，以此有效地改變?nèi)酆暇€的表層形態(tài)，使其平順過渡，減少焊縫的應(yīng)力集中數(shù)值，使得焊道附近特定區(qū)域的母材得到改善，重新調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)[3]。振動(dòng)錘擊在應(yīng)力集中區(qū)域表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，將有效地改善、均勻化和消除焊接殘余應(yīng)力，從而改善焊縫的疲勞強(qiáng)度。

超聲波振動(dòng)錘擊具有對(duì)熔合線焊腳區(qū)域一定深度的表層進(jìn)行消除或降低應(yīng)力的作用，如果采用對(duì)焊道進(jìn)行全覆蓋錘擊時(shí)，被錘擊的表面會(huì)形成更大數(shù)值的壓應(yīng)力，這樣對(duì)殘余應(yīng)力的消除會(huì)起到更好的效果。此外，采用熔合線區(qū)域錘擊消除應(yīng)力；可以有效地改善該區(qū)域的熔合瑕疵及減少應(yīng)力集中；可使焊接接頭疲勞強(qiáng)度提高50%~120%，疲勞壽命延長(zhǎng)5~100倍，并且可使金屬在腐蝕環(huán)境下的抗腐蝕能力提高約400%。

4.2 超聲波振動(dòng)錘擊法的特點(diǎn)

超聲波振動(dòng)錘擊消除殘余應(yīng)力的特點(diǎn)是將沖擊頭錘擊加速度控制在2×105m/s以上，作用時(shí)間一般為10-5~10-6s，過程中在焊縫錘擊區(qū)域表面的溫度會(huì)急劇上升及冷卻，并在交變冷熱循環(huán)及外應(yīng)力撞擊的作用下，使得錘擊區(qū)域淺表層約0.1mm形成白化層，在表面1~1.5mm區(qū)域?yàn)橹饕苄宰冃螌樱上改_處表層的微小裂紋和熔渣缺陷，起到阻止裂紋萌生的作用。

4.3 超聲波振動(dòng)錘擊法的操作工藝

超聲波振動(dòng)錘擊應(yīng)在焊縫變形矯正、外觀檢測(cè)及無損檢測(cè)合格后，且在焊縫外形修補(bǔ)、檢測(cè)合格后進(jìn)行。工藝流程為焊接→外觀檢查和無損檢測(cè)→清除焊腳熔渣、飛濺→打磨后上色→實(shí)施超聲波錘擊處理→錘擊檢查。

錘擊操作者應(yīng)通過專業(yè)培訓(xùn)，熟悉超聲波錘擊設(shè)備的使用原理，嚴(yán)格按照《產(chǎn)品使用說明書》進(jìn)行作業(yè)。在進(jìn)行振動(dòng)錘擊前應(yīng)清理錘擊區(qū)域的焊渣、飛濺、油污等雜物，錘擊區(qū)域需保持干燥狀態(tài)。清理后在錘擊范圍內(nèi)的表面涂抹顏色，涂抹范圍為焊縫及兩側(cè)焊腳外沿10mm寬的母材熱影響區(qū)。超聲波振動(dòng)錘擊時(shí)，采用近似于錘體自重產(chǎn)生的力度，且錘擊范圍勻稱地覆蓋熔合線及規(guī)定的振動(dòng)錘擊部位，錘擊表面不得出現(xiàn)褶皺重疊和細(xì)小裂紋的缺陷。超聲波振動(dòng)錘擊完成后，不得對(duì)被錘擊區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)焊、打磨等干擾錘擊效果的任何處理。

超聲波錘擊區(qū)域應(yīng)為焊縫兩側(cè)焊腳區(qū)域，對(duì)于對(duì)接焊縫，可以是焊縫兩側(cè)焊腳區(qū)域以及焊縫區(qū)域（見圖4）。

圖4 角焊縫錘擊區(qū)域

關(guān)于錘擊槍錘頭的使用以及錘頭角度的要求：對(duì)接接頭和T形接頭均使用扁平錘頭。根據(jù)錘擊部位不同，針對(duì)對(duì)接接頭錘頭與母材焊道夾角約為90°，將錘頭對(duì)準(zhǔn)熔合線；針對(duì)T形接頭錘頭與水平板面夾角為75°~80°，將錘頭對(duì)準(zhǔn)焊道間內(nèi)凹溝槽線（見圖5）。

圖5 錘擊角度

超聲波振動(dòng)錘擊法在使用過程中，錘頭應(yīng)沿著熔合線或焊縫移動(dòng)，最佳移動(dòng)速率控制在0.5m/min左右，勻速進(jìn)行，每段往復(fù)處理4遍。然后根據(jù)圖樣要求將對(duì)接焊道余高修磨至與母材平順過渡，T形接頭焊道光滑過渡，錘擊時(shí)電流控制在1.5～2A。針對(duì)角接焊縫，應(yīng)錘擊焊腳位置，錘擊時(shí)電流控制在1.5～2A。

在新加坡龍門吊項(xiàng)目上，考慮到厚板焊接存在焊接殘余應(yīng)力，為此在厚板拼板焊接的制作過程中進(jìn)行了超聲波錘擊消除應(yīng)力處理，效果尤為顯著。與以往項(xiàng)目的厚板焊接對(duì)比，大大減少了冷裂紋的產(chǎn)生，避免了厚板焊接出現(xiàn)的大量返修工作，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)項(xiàng)目的按期交付起到了一定的作用，如圖6所示。

圖6 超聲波振動(dòng)錘擊法消應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 超聲波振動(dòng)錘擊法消除殘余應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)

由于超聲波振動(dòng)錘擊法能同時(shí)對(duì)焊接殘余應(yīng)力、表面微觀裂紋和瑕疵、熔合線的幾何形態(tài)及表面強(qiáng)化起到優(yōu)化作用，因此能有效提高焊縫的疲勞性能，有事半功倍的效果。消除應(yīng)力設(shè)備外形尺寸小，基本不占用施工場(chǎng)地，不受構(gòu)件的材料性能、輕重及形態(tài)的限制，使用起來比較方便。并且，該處理方法環(huán)保、節(jié)能、安全、無污染。

6 結(jié)束語

本文主要介紹了超聲波振動(dòng)錘擊法消除應(yīng)力處理的方法，以及振動(dòng)錘擊法在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用案例。目前，在港口機(jī)械生產(chǎn)制造過程中，大厚板焊接是比較普遍的現(xiàn)狀，超聲波振動(dòng)錘擊法不失為一種有效消除焊接殘余應(yīng)力的手段。無論是從經(jīng)濟(jì)性，還是從環(huán)保性來說，超聲波振動(dòng)錘擊法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。雖然該處理方法還尚未廣泛應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，但是其顯著的效果也是不可否認(rèn)的，具體還需要在試驗(yàn)和操作中去發(fā)現(xiàn)和掌握。