那 飛，龍 瓊，伍劍明，蘇向東

(貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

焊接是我國“強(qiáng)基工程”中基礎(chǔ)工藝之一，標(biāo)志著國家的工業(yè)技術(shù)水平，支撐國家建設(shè)及國防安全，目前我國鋼鐵產(chǎn)量的60%需要焊接[1]。焊接技術(shù)以其成本低、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的制造。在《中國制造2025》重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域中，八個(gè)領(lǐng)域與焊接密切相關(guān)[2]。然而，焊接過程通常會(huì)對焊接件施加殘余拉伸應(yīng)力，會(huì)對焊接接頭的疲勞性能等造成不利影響，而殘余壓應(yīng)力通?？娠@著提高焊接接頭的疲勞壽命。

表面強(qiáng)化技術(shù)可用來細(xì)化金屬表層的晶粒度，增加金屬的表面硬化程度，減少材料中因?yàn)榇嬖诘娜毕輰?dǎo)致的一系列問題，以及在金屬表層引入有益的殘余壓應(yīng)力來提高金屬零件的性能[3-5]。該技術(shù)廣泛應(yīng)用在焊接領(lǐng)域中，用于提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕性能等。本文綜述輥軋、高頻沖擊、噴丸法、激光沖擊以及超聲沖擊法等對焊接接頭性能耐蝕性能的影響，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 研究進(jìn)展

1.1 輥軋、拉伸預(yù)變形對焊接接頭的影響研究

輥軋是一種壓力加工工藝，被滾壓的表層金屬塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細(xì)，形成致密的纖維狀，并形成殘余應(yīng)力層，使其硬度和強(qiáng)度有所提高，從而改善了工件表面的耐磨性、耐蝕性和配合性[6]。

陳懷寧等[7]采用輥壓加載的方法在焊接接頭處形成3%～5%微量塑性預(yù)應(yīng)變，研究了輥壓預(yù)處理對焊接接頭材料的疲勞性能和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)輥壓預(yù)處理后的接頭的強(qiáng)度和硬度有所提高，但疲勞極限出現(xiàn)明顯降低，并認(rèn)為輥壓后材料中位錯(cuò)的胞狀亞結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部所形成的損傷累積導(dǎo)致了疲勞性能下降。許飛等[8]研究了2024鋁合金攪拌摩擦焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用輥壓的方式可以消除焊接過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，可降低裂紋擴(kuò)展速率。

Hao等[9]研究了316L不銹鋼預(yù)變形軋制(PDR)在4%的軋制壓下率不僅提高了熱影響區(qū)的材料強(qiáng)度，將最佳的4%預(yù)變形軋制(PDR)工藝參數(shù)應(yīng)用于大型拼焊板容器封頭的深拉成形，提高了熱影響區(qū)的塑性變形能力，熱影響區(qū)和母材的壁厚在拉深后均勻減小。與未經(jīng)PDR的熱影響區(qū)相比，PDR降低4%的拉深成形頭熱影響區(qū)壁厚由3.98 mm增加到4.25 mm，晶粒細(xì)小均勻，與母材相似，拉深成形頭各區(qū)域的硬度值分布均勻。

1.2 噴丸強(qiáng)化對焊接接頭的影響研究

噴丸強(qiáng)化處理焊接接頭是利用高速噴射出的硬質(zhì)彈丸撞擊工件表面，在完全受控制的情況下，使零件表面在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，并表現(xiàn)出較大殘余壓應(yīng)力，從而顯著影響材料表面粗糙度、局部應(yīng)力狀態(tài)和疲勞壽命等[10]。

Nasilowska等[11]分析了噴丸處理對5754鋁合金TIG焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表示Fe-Ni-Cr不銹鋼球噴丸處理表層影響深度為70～100 μm，接頭區(qū)域屈服強(qiáng)度和楊氏模量分別增加約20%和30%。

Dieng等[12]采用噴丸強(qiáng)化處理S355J2結(jié)構(gòu)鋼降低焊趾附近焊縫區(qū)域的高拉伸應(yīng)力，通過噴丸處理后焊接接頭附近的橫向和縱向殘余應(yīng)力均下降50 MPa以上。

Soundararajan等[13]研究結(jié)果表明AA8011攪拌摩擦焊接頭熱處理后，再經(jīng)過噴丸處理后可以顯著提高接頭的力學(xué)性能和耐摩擦性能。

賈子妍[14]對鋁/鋼異種金屬激光焊接接頭采用噴丸處理，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在最佳噴丸后接頭強(qiáng)度最大達(dá)2 690 N，比噴丸前提高了11.7%，同時(shí)也顯著改善了接頭的韌性。采用高能噴丸可以成功地在不同材料的焊接接頭表面形成納米層，細(xì)化接頭表層晶粒，減小或消除表面組織性能的不均勻性，提高接頭的綜合性能，具有非常大的應(yīng)用前景。

1.3 超聲沖擊對焊接接頭的影響研究

超聲沖擊處理(UIT)以其高效、可靠的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于提高焊接接頭的疲勞性能。通過撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面與下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形，在引入殘余壓應(yīng)力的同時(shí)能夠有效降低或消除殘余拉應(yīng)力從而改善焊接接頭組織與性能[15]。

UIT處理技術(shù)也被認(rèn)為是提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能最有效的焊后處理技術(shù)之一。

Tang等[16]采用有限元模擬方法研究了UIT對304L不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力分布和疲勞性能的影響，有限元結(jié)果表明，UIT在對接和T型接頭焊縫中引入了2～3 mm深度的有益壓應(yīng)力，顯著延長了304L不銹鋼焊接接頭的疲勞壽命。

Chen等[17]采用超聲沖擊技術(shù)(UIT)和時(shí)效與超聲沖擊聯(lián)合處理(A-UIT)對7A52鋁合金焊接接頭進(jìn)行了處理，比較分析了不同處理方法對焊接接頭組織和性能的影響，研究結(jié)果表明，在鋁合金焊接接頭表面采用超聲沖擊方法可以制備出納米晶粒層。A-UIT后焊接接頭的表面晶粒度、表面顯微硬度和基體顯微硬度均顯著高于UIT后焊接接頭。UIT后的焊接接頭表面強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化，而A-UIT后的焊接接頭表面強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶析出強(qiáng)化。

Zheng等[18]采用有限元方法對焊接過程進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行了數(shù)值模擬，將焊態(tài)和UIT處理?xiàng)l件下的預(yù)測結(jié)果與未處理樣品焊接殘余應(yīng)力改善進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，采用UIT-有限元分析法可以在焊接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)材料的輕量化。

1.4 高頻沖擊對焊接接頭的影響研究

高頻沖擊處理技術(shù)是一種新型有效塑性變形處理技術(shù)，具有噪音小、效率高、成本低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過高頻沖擊處理后在金屬表面可以獲得梯度納米結(jié)構(gòu)和有效的殘余應(yīng)力，可以顯著改善金屬材料的力學(xué)性能[19]。

Zhang等[20-21]研究了高頻沖擊軋制對焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明，變極性等離子弧焊2A12鋁合金的母材和焊縫區(qū)表面晶粒細(xì)化，納米顯微硬度、彈性模量和最大殘余壓應(yīng)力均有所提高。近表面最大殘余壓應(yīng)力的引入使表面實(shí)際應(yīng)力狀況發(fā)生明顯變化，增加了裂紋閉合，降低了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。母材和焊縫區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命分別增加了1.594～1.744倍和2.902～3.231倍。相比于超聲波沖擊表面處理技術(shù)，高頻沖擊技術(shù)具有更大的沖擊作用面積，能夠消除焊接構(gòu)件較大表面區(qū)域的殘余應(yīng)力，從而提高工作效率。

1.5 激光沖擊對焊接接頭的影響研究

激光沖擊也稱為激光表面硬化或激光噴丸處理，是利用高能脈沖激光在零件表面產(chǎn)生沖擊波，使表面金屬材料達(dá)到壓縮和塑性變形的效果，在零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，增強(qiáng)了工件對表面疲勞、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕裂紋的抵抗能力[22]。

陸金花等[23]探討了激光沖擊處理對45鋼-40Cr鋼焊接接頭組織性能的影響，研究結(jié)果表明：經(jīng)激光沖擊后，接頭焊縫區(qū)原有的馬氏體組織逐漸分解為細(xì)小馬氏體組織；沖擊區(qū)域內(nèi)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)的殘余拉應(yīng)力都變?yōu)閴簯?yīng)力，焊縫中心區(qū)域最大平均殘余壓應(yīng)力可達(dá)-395 MPa；同時(shí)，激光沖擊使接頭各區(qū)域的硬度值有不同程度的提高，熱影響區(qū)附近和焊縫中心分別提高了約60 HV0.3和40 HV0.3，影響層深度約為0.5 mm。

Shi等[24]研究了激光淬火(LQ)和激光沖擊強(qiáng)化(LSP)兩種激光強(qiáng)化工藝對鋼軌焊接接頭抗磨抗疲勞性能的影響。LQ工藝顯著提高了鋼軌焊接接頭的抗磨性能，但抗疲勞性能變差。LQ處理焊接接頭的磨損率降低了91.6%～92.4%，但LQ處理焊接接頭的平均裂紋角(23～25°)和平均裂紋長度(62～74 μm)均大于未處理鋼軌焊接接頭(分別為13～15°和37～59 μm)。LSP工藝提高了焊接接頭的耐磨性和抗疲勞性能。LSP處理的焊接接頭磨損率降低了5.1%～10.1%。同時(shí)，LSP處理的焊接接頭的裂紋密度(0.9～4.2 mm-1)、平均裂紋角(10～13°)和平均裂紋長度(16～26 μm)均小于未處理和LQ處理的焊接接頭。

1.6 其他方法

其外，還有氣動(dòng)沖擊、水壓沖擊、爆炸沖擊等方法可以對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高焊接接頭材料的力學(xué)性能[25]。祝陳等[26]研究了氣動(dòng)沖擊技術(shù)對鋼橋面板焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力場的影響，研究結(jié)果表明：氣動(dòng)沖擊可以將焊縫處的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為殘余壓應(yīng)力，形成半橢球形的壓應(yīng)力區(qū)，沖擊速度和沖擊頭尺寸對橫向應(yīng)力的影響較大，沖擊速度及沖擊頭尺寸的增大，能提高壓應(yīng)力值大小及壓應(yīng)力區(qū)的范圍。Srivastava等[27]研究了脈沖水流沖擊304不銹鋼近表面殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)水流沖擊也能很好地在焊件中植入壓應(yīng)力。

2 結(jié)論與展望

目前的研究結(jié)果表明，表面強(qiáng)化技術(shù)對焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能將會(huì)產(chǎn)生顯著影響，但是也存在較多的不足之處，今后可以從以下方面加強(qiáng)研究：

(1)復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)。復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)是將物理性質(zhì)和能量傳輸機(jī)制不同的兩種及以上的表面強(qiáng)化技術(shù)組合在一起，對焊接接頭進(jìn)行處理，既可以充分發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)勢，又可以彌補(bǔ)單種強(qiáng)化技術(shù)的不足，集成一種全新高效的表面強(qiáng)化技術(shù)處理焊接接頭，從而顯著提高焊接接頭的綜合性能。

(2)結(jié)合熱處理技術(shù)。采用熱處理-表面強(qiáng)化工藝，進(jìn)一步提高焊接接頭的綜合性能，目前這方面的研究技術(shù)較少。焊后熱處理可以顯著減少或消除焊件結(jié)構(gòu)組織和力學(xué)性能的不均勻，對焊接接頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)效熱處理可以釋放焊接過程產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，同時(shí)也可以促進(jìn)接頭基體中二次析出相的均勻化分布，再經(jīng)過表面強(qiáng)化處理可以進(jìn)一步提高焊接接頭的綜合性能。

(3)表面強(qiáng)化技術(shù)與有限元數(shù)值模擬結(jié)合，可更好地對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的輕量化方面具有非常廣闊的潛在應(yīng)用價(jià)值。