电脉冲辅助豪克能超声冲击技术对焊缝残余应力及显微硬度的影响

王铃声,叶肖鑫,刘涛,叶泳达,唐国翌，宋国林

(清华大学深圳研究生院，新材料研究所）
 

摘要:

焊接结构件中存在焊接残余应力,使得焊接构件在使用过程中容易发生断裂,缩短构件的使用寿命。以钢焊缝为研究对象,使用电脉冲辅助豪克能冲击技术处理钢焊接件,研究电脉冲辅助豪克能冲击技术对焊D36缝残余应力和显微硬度的影响。研究结果表明:电脉冲辅助豪克能冲击技术在适当电流密度和处理时间下消除焊接残余应力和表面强化的作用优于传统的单一豪克能冲击技术,不仅能够比单一豪克能冲击技术降低焊缝的残余应力最多达23MPa，提高焊缝表层的最大硬度达109Hv，同时增加强化层深度最多达250μm。

关键词:

电脉冲辅助豪克能冲击焊缝残余应力显微硬度

 

        D36钢是一种高强度的低合金钢材.具有优异的综合使用性能和焊接性能,适于制造船体、采油平台等结构件,在海洋环境中应用广泛。D36钢在使用过程中需要进行焊接,焊接过程中快速加热和冷却,不均匀的温度场会给焊接构件引入较大的焊接残余应力。焊接残余应力的存在可对焊接构件产生巨大的危害,残余拉应力会使得工件在裂纹缺陷处发生脆性断裂,并且能够降低材料的耐腐蚀性;焊接接头附近的应力集中严重影响着构件的疲劳性能,严重缩短了焊接构件的使用寿命;在随后的加工、贮运及使用过程中残余应力能够使得焊接构件发生变形,焊接变形还会降低焊件的疲劳强度与承载能力，导致焊件加工时产生不必要的误差。在海洋平台和船舶制造过程中，大尺寸的厚板焊接后残余应力的问题更加复杂。为了保障焊接件的可靠性,需要对构件焊接后进行消除残余应力的处理。常规采用的方法为豪克能波冲击处理方法,该方法通过豪克能冲击枪对材料表层输入振动能量,使焊缝表层形成加工硬化层,改善焊缝的应力集中,将残余拉应力转换为对构件使用有益的残余压力,提高焊接件的使用寿命。国外研究人员H. We-ver和V.B.Fisk最早对电脉冲处理这种方法进行研究，为电脉冲在加工领域的应用起到了推动作用。从已经获得的成果可知，电脉冲处理技术可提高材料的物理和力学性能，并且可以更好地节约能源,使环境得到保护,提高效率，人们开始认识到电脉冲在加工处理中的价值,在使用电脉冲消除残余应力方面,利用电脉冲改善材料内部(表面)组织、提高力学性能已经有研究，但是，电脉冲辅助象克能冲击技术对焊缝的相关研究目前还鲜有报道。

 

        电脉冲辅助豪克能超声冲击技术处理焊接构件是将电脉冲和豪克能冲击两种技术结合起来对焊接构件进行处理﹐利用高能电脉冲的电致塑性效应、集肤效应使得焊缝表层的塑性变形能力提高,硬度下降,提高其对焊接构件的冲击程度和表层组织的变形能力，以降低焊接构件的残余拉应力,提高焊缝表层显微硬度和变形层深度。

 

结论：

        (1)电脉冲辅助豪克能超声冲击能够消除焊接构件的残余应力,并将焊缝的残余拉应力全部转换成有益的残余压应力。当处理2min和10min时，电脉冲辅助豪克能冲击的效果优于单独豪克能冲击处理,当处理时间为2Omin时，焊缝中残余华体已达饱和值,处理效果与传统单独使用超声冲击效果相当。

        (2)在一定的处理时间下,增大电流密度﹐电脉冲辅助豪克能冲击能够有效促进残余应力的消除但当电流密度超过一定值后,随着电流密度的增大,过大的脉冲电流密度阻碍了豪克能冲击的作用，残余应力的消除率有所降低。

        (3)电脉冲辅助豪克能超声冲击能够提高焊缝表层组织发生塑性变形的能力,增加变形层的深度。塑性变形层能够从传统处理的100 m提高到400 um,焊缝组织硬化层的深度平均可比传统豪克能冲击效果提高250 um。当电脉冲的电流密度为3.7 A/ mm2时,残余应力的消去和显微硬度的强化效果最为显著。