電脈沖輔助豪克能超聲沖擊技術(shù)對焊縫殘余應力及顯微硬度的影響
王鈴聲,葉肖鑫,劉濤,葉泳達,唐國翌,宋國林
(清華大學(xué)深圳研究生院,新材料研究所)
摘要:
焊接結構件中存在焊接殘余應力,使得焊接構件在使用過(guò)程中容易發(fā)生斷裂,縮短構件的使用壽命。以鋼焊縫為研究對象,使用電脈沖輔助豪克能沖擊技術(shù)處理鋼焊接件,研究電脈沖輔助豪克能沖擊技術(shù)對焊D36縫殘余應力和顯微硬度的影響。研究結果表明:電脈沖輔助豪克能沖擊技術(shù)在適當電流密度和處理時(shí)間下消除焊接殘余應力和表面強化的作用優(yōu)于傳統的單一豪克能沖擊技術(shù),不僅能夠比單一豪克能沖擊技術(shù)降低焊縫的殘余應力最多達23MPa,提高焊縫表層的最大硬度達109Hv,同時(shí)增加強化層深度最多達250μm。
關(guān)鍵詞:
電脈沖輔助豪克能沖擊焊縫殘余應力顯微硬度
D36鋼是一種高強度的低合金鋼材.具有優(yōu)異的綜合使用性能和焊接性能,適于制造船體、采油平臺等結構件,在海洋環(huán)境中應用廣泛。D36鋼在使用過(guò)程中需要進(jìn)行焊接,焊接過(guò)程中快速加熱和冷卻,不均勻的溫度場(chǎng)會(huì )給焊接構件引入較大的焊接殘余應力。焊接殘余應力的存在可對焊接構件產(chǎn)生巨大的危害,殘余拉應力會(huì )使得工件在裂紋缺陷處發(fā)生脆性斷裂,并且能夠降低材料的耐腐蝕性;焊接接頭附近的應力集中嚴重影響著(zhù)構件的疲勞性能,嚴重縮短了焊接構件的使用壽命;在隨后的加工、貯運及使用過(guò)程中殘余應力能夠使得焊接構件發(fā)生變形,焊接變形還會(huì )降低焊件的疲勞強度與承載能力,導致焊件加工時(shí)產(chǎn)生不必要的誤差。在海洋平臺和船舶制造過(guò)程中,大尺寸的厚板焊接后殘余應力的問(wèn)題更加復雜。為了保障焊接件的可靠性,需要對構件焊接后進(jìn)行消除殘余應力的處理。常規采用的方法為豪克能波沖擊處理方法,該方法通過(guò)豪克能沖擊槍對材料表層輸入振動(dòng)能量,使焊縫表層形成加工硬化層,改善焊縫的應力集中,將殘余拉應力轉換為對構件使用有益的殘余壓力,提高焊接件的使用壽命。國外研究人員H. We-ver和V.B.Fisk最早對電脈沖處理這種方法進(jìn)行研究,為電脈沖在加工領(lǐng)域的應用起到了推動(dòng)作用。從已經(jīng)獲得的成果可知,電脈沖處理技術(shù)可提高材料的物理和力學(xué)性能,并且可以更好地節約能源,使環(huán)境得到保護,提高效率,人們開(kāi)始認識到電脈沖在加工處理中的價(jià)值,在使用電脈沖消除殘余應力方面,利用電脈沖改善材料內部(表面)組織、提高力學(xué)性能已經(jīng)有研究,但是,電脈沖輔助象克能沖擊技術(shù)對焊縫的相關(guān)研究目前還鮮有報道。
電脈沖輔助豪克能超聲沖擊技術(shù)處理焊接構件是將電脈沖和豪克能沖擊兩種技術(shù)結合起來(lái)對焊接構件進(jìn)行處理﹐利用高能電脈沖的電致塑性效應、集膚效應使得焊縫表層的塑性變形能力提高,硬度下降,提高其對焊接構件的沖擊程度和表層組織的變形能力,以降低焊接構件的殘余拉應力,提高焊縫表層顯微硬度和變形層深度。
結論:
(1)電脈沖輔助豪克能超聲沖擊能夠消除焊接構件的殘余應力,并將焊縫的殘余拉應力全部轉換成有益的殘余壓應力。當處理2min和10min時(shí),電脈沖輔助豪克能沖擊的效果優(yōu)于單獨豪克能沖擊處理,當處理時(shí)間為2Omin時(shí),焊縫中殘余應力消除已達飽和值,處理效果與傳統單獨使用超聲沖擊效果相當。
(2)在一定的處理時(shí)間下,增大電流密度﹐電脈沖輔助豪克能沖擊能夠有效促進(jìn)殘余應力的消除但當電流密度超過(guò)一定值后,隨著(zhù)電流密度的增大,過(guò)大的脈沖電流密度阻礙了豪克能沖擊的作用,殘余應力的消除率有所降低。
(3)電脈沖輔助豪克能超聲沖擊能夠提高焊縫表層組織發(fā)生塑性變形的能力,增加變形層的深度。塑性變形層能夠從傳統處理的100 m提高到400 um,焊縫組織硬化層的深度平均可比傳統豪克能沖擊效果提高250 um。當電脈沖的電流密度為3.7 A/ mm2時(shí),殘余應力的消去和顯微硬度的強化效果最為顯著(zhù)。