兗文濤

（中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300456）

0 前 言

在焊接過程中，不均勻熱輸入必然導(dǎo)致工件產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力的存在會給焊接結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)脆性、應(yīng)力腐蝕性能、疲勞性能、尺寸穩(wěn)定性以及使用安全性等帶來諸多不利的影響[1-3]。因此，如何控制和消除焊接殘余應(yīng)力已成為國內(nèi)外焊接研究的重要課題。

目前工程應(yīng)用中使用最為廣泛的控制焊接殘余應(yīng)力的方法主要有兩大類：一類是熱作用法，即焊后熱處理；另一類是機(jī)械作用法，原理是通過外部施加的載荷與工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互疊加，使材料局部發(fā)生塑性變形，釋放內(nèi)應(yīng)力，以此達(dá)到降低殘余應(yīng)力的目的。焊后熱處理是當(dāng)前焊后消除殘余應(yīng)力的最主要方法。然而在對工件進(jìn)行熱處理時(shí)，有時(shí)會引起不利的組織轉(zhuǎn)變，且該方法耗能大，周期長，生產(chǎn)成本相對較高[1]。

隨著材料科學(xué)與焊接技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們也一直在探索效果明顯而又無不良附加影響的非熱處理消除殘余應(yīng)力的方法。通過機(jī)械作用消除殘余應(yīng)力的方法，由于其易操作、節(jié)能、效率高、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)越來越受到青睞。目前超聲沖擊技術(shù)消除焊接殘余應(yīng)力已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外研究表明，超聲沖擊是一種改善焊縫性能很有效的方法之一，不僅可以有效消除焊接殘余應(yīng)力，使應(yīng)力均勻化，還能夠?qū)饘俳Y(jié)構(gòu)各方面性能有所改善[4-9]。本研究采用超聲沖擊設(shè)備對U71Mn 鋼堆焊表面進(jìn)行超聲沖擊處理，分析超聲沖擊處理工藝對工件表面焊接殘余應(yīng)力的影響，并應(yīng)用X射線衍射應(yīng)力測試儀對其進(jìn)行評價(jià)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料與焊接方法

試驗(yàn)選用U71Mn鋼，化學(xué)成分見表1[10]。采用MIG焊接方法，選用直徑為1.2 mm ER309焊絲在U71Mn鋼表面堆焊單道不銹鋼焊道，焊接工藝參數(shù)見表2。由于U71Mn 鋼的w（C）> 0.6%，屬于高碳鋼，具有很大的淬硬傾向，在堆焊過程中極易產(chǎn)生異常淬硬馬氏體組織，導(dǎo)致堆焊工件開裂[11-13]。采用合理的預(yù)熱和焊后熱處理可以有效延長冷卻時(shí)間t8/5，降低焊接熱影響區(qū)內(nèi)的淬硬傾向[14-15]。因此在堆焊試驗(yàn)過程中采用隨焊動態(tài)感應(yīng)加熱的方法對工件表面縱向焊縫進(jìn)行預(yù)熱和焊后熱處理，以控制淬硬組織及冷裂紋的產(chǎn)生。

表1 U71Mn鋼化學(xué)成分 %

表2 焊接工藝參數(shù)

1.2 焊接殘余應(yīng)力測試方法

采用X 射線衍射法測試U71Mn 鋼堆焊表面的焊接殘余應(yīng)力，測試設(shè)備為加拿大Proto 公司生產(chǎn)的IXRD 應(yīng)力分析儀。為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在殘余應(yīng)力測試前先用砂紙對待測表面進(jìn)行打磨，去除表面氧化皮和焊渣等物質(zhì)，再選用飽和NaCl 溶液作為拋光電解液對待測表面進(jìn)行電解拋光以便去除打磨引入的附加應(yīng)力層，最后用酒精或丙酮對試件拋光表面進(jìn)行清洗，確保試件表面干燥。X 射線殘余應(yīng)力測試參數(shù)見表3，采用高斯函數(shù)擬合定峰方案及最小二乘法橢圓擬合數(shù)據(jù)處理方案。ψ角（射線方向與試樣表面法線之間的夾角） 分別選取0°、±5°、±10°、±15°、±20°、±25°和±30°。

表3 X射線應(yīng)力測試參數(shù)

殘余應(yīng)力測試點(diǎn)為焊縫中間區(qū)域并垂直于焊縫方向上的6個(gè)測量點(diǎn)，如圖1所示，分別距離焊趾3 mm、6 mm、9 mm、14 mm、19 mm和24 mm。為了更好地研究超聲沖擊處理對殘余應(yīng)力的消除效果，近焊縫區(qū)測試點(diǎn)比較密集，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)測試點(diǎn)比較疏松。每個(gè)測點(diǎn)位置均測試橫向殘余應(yīng)力（垂直于焊縫的方向）和縱向殘余應(yīng)力（平行于焊縫的方向）。

圖1 殘余應(yīng)力測試點(diǎn)位置示意圖

1.3 超聲沖擊工藝

試驗(yàn)采用TDH 超聲沖擊設(shè)備對工件堆焊表面進(jìn)行消應(yīng)力處理，設(shè)備具體參數(shù)見表4。采用球冠針頭沖擊鋼針（Φ3 mm、針頭個(gè)數(shù)為7）對U71Mn 堆焊面分別進(jìn)行2 次、4 次、8 次的全覆蓋沖擊處理（對焊縫、焊趾以及母材區(qū)的擺動沖擊稱為全覆蓋沖擊），如圖2所示。

圖2 全覆蓋沖擊示意圖

表4 超聲沖擊處理工藝參數(shù)

在超聲沖擊處理過程中，將超聲沖擊槍對準(zhǔn)并基本垂直于待處理試樣，然后向沖擊槍施加一定的壓力，使其在自重的條件下進(jìn)行沖擊處理。超聲沖擊處理工藝參數(shù)見表5。

表5 超聲沖擊處理工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 超聲沖擊次數(shù)對焊接殘余應(yīng)力的影響

圖3為采用超聲沖擊設(shè)備對U71Mn鋼表面進(jìn)行全覆蓋沖擊前、后各測點(diǎn)的橫向和縱向殘余應(yīng)力的分布情況。

圖3 全覆蓋沖擊前、后表面殘余應(yīng)力分布

從圖3可知，未進(jìn)行超聲沖擊前，由于采取了動態(tài)感應(yīng)加熱的方法對待堆焊面進(jìn)行了焊前預(yù)熱、焊后后熱的措施，在一定程度上對工件表面焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了調(diào)整，使焊接殘余應(yīng)力重新分布。各點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其中橫向殘余應(yīng)力值維持在60～175 MPa，縱向殘余拉應(yīng)力值維持在340～430 MPa。縱向殘余拉應(yīng)力值相對于橫向殘余拉應(yīng)力值更大，這將導(dǎo)致工件承受拉應(yīng)力時(shí)，縱向承載能力要弱于橫向。并且橫向拉應(yīng)力、縱向拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離焊趾約9 mm處。

經(jīng)過全覆蓋超聲沖擊處理后，工件表面的橫向殘余拉應(yīng)力、縱向殘余拉應(yīng)力均轉(zhuǎn)化為有益的壓應(yīng)力。當(dāng)全覆蓋沖擊次數(shù)為2次時(shí)，由于沖擊次數(shù)較少，并不能夠達(dá)到對工件表面均勻沖擊的效果，因此沖擊后的表面殘余壓應(yīng)力值波動較大。隨著沖擊次數(shù)的增加，表面沖擊區(qū)域的殘余壓應(yīng)力值分布也趨于均勻。當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到8次時(shí)，可以看到橫向殘余壓應(yīng)力、縱向殘余壓應(yīng)力分布趨于平緩，壓應(yīng)力值波動趨于穩(wěn)定，橫向殘余壓應(yīng)力值維持在300 MPa左右，縱向殘余壓應(yīng)力值維持在350 MPa左右。

2.2 超聲沖擊引入壓應(yīng)力層的作用深度研究

為了進(jìn)一步研究超聲沖擊處理引入壓應(yīng)力層的作用深度，本研究采用電解拋光的方法，通過控制電解拋光的時(shí)間，對測試點(diǎn)進(jìn)行局部剝層（利用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量拋光剝層深度），測量沿層深方向的橫向、縱向殘余應(yīng)力的變化情況。圖4 為距焊趾9 mm 處沿深度方向上的雙向殘余應(yīng)力分布圖，從圖4可以看出，縱向殘余壓應(yīng)力層深達(dá)到1.2 mm 左右，而橫向殘余壓應(yīng)力層深達(dá)到1.6 mm 左右?？v向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力沿層深分布規(guī)律大體一致，基本分為三個(gè)階段。第一階段：工件堆焊表面至層深0.2 mm 左右，為壓應(yīng)力較快下降區(qū)。表層壓應(yīng)力達(dá)到360 MPa 左右。隨著層深的增大，壓應(yīng)力很快下降到160 MPa 左右。第二階段：層深0.2～0.8 mm（橫向殘余應(yīng)力層深為0.2～1.2 mm）為壓應(yīng)力維持區(qū)，應(yīng)力值相對穩(wěn)定，變化不大?？v向殘余壓應(yīng)力維持在130～160 MPa，橫向殘余應(yīng)力維持在190～240 MPa。第三階段：壓應(yīng)力逐步向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變區(qū)。隨著剝層深度的進(jìn)一步加大，縱向殘余壓應(yīng)力和橫向殘余壓應(yīng)力均呈現(xiàn)下降趨勢，并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。當(dāng)層深超過1.2 mm 時(shí)，縱向殘余壓應(yīng)力開始轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力；當(dāng)層深達(dá)到1.6 mm 時(shí)，橫向殘余壓應(yīng)力開始轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

圖4 超聲沖擊引起的殘余應(yīng)力沿層深分布

綜上所述，采用全覆蓋超聲沖擊工藝處理工件表面，當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到8次時(shí)，可以較好地消除表面殘余拉應(yīng)力，轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴臍堄鄩簯?yīng)力，并可以引入一定深度的殘余壓應(yīng)力層。

3 結(jié) 論

（1）超聲沖擊處理能夠有效地改善U71Mn鋼堆焊表面焊接殘余應(yīng)力，將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成有益的殘余壓應(yīng)力。隨著沖擊次數(shù)的增加，表面焊接殘余壓應(yīng)力分布趨于平緩穩(wěn)定。當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到8次時(shí)，表面橫向殘余壓應(yīng)力值維持在300 MPa左右，縱向殘余壓應(yīng)力值維持在350 MPa左右。

（2）超聲沖擊處理引起的U71Mn鋼表面壓應(yīng)力層分為三個(gè)階段：壓應(yīng)力值下降較快階段、壓應(yīng)力值維持階段和壓應(yīng)力值緩慢轉(zhuǎn)變拉應(yīng)力階段。本試驗(yàn)全覆蓋超聲沖擊處理達(dá)8次后引起U71Mn鋼表面縱向殘余壓應(yīng)力層達(dá)1.2 mm，橫向殘余壓應(yīng)力層達(dá)1.6 mm。