組織結(jié)構(gòu)對(duì)低碳鋼焊接構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力效果的影響

李春國(guó)，黃江中，楊尚玉，張柏青，邵文京，秦玉良，趙純聰

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300460)

0 前言

焊接過(guò)程采用的是非穩(wěn)態(tài)熱源，焊接結(jié)束后構(gòu)件內(nèi)部會(huì)殘留分布不均勻的焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力的大小和分布隨焊件結(jié)構(gòu)形式和焊接參數(shù)的不同而不同。在使用過(guò)程中，焊接構(gòu)件內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力會(huì)帶來(lái)諸多的隱患，如當(dāng)試件在設(shè)計(jì)載荷下使用時(shí)，應(yīng)力集中部位發(fā)生局部破壞造成整體構(gòu)件的失效。與傳統(tǒng)的熱時(shí)效和超聲沖擊方法不同，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)是通過(guò)引起構(gòu)件的共振達(dá)到調(diào)整構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的技術(shù)。熱時(shí)效無(wú)法應(yīng)用于對(duì)溫度敏感的材料，而超聲沖擊是一項(xiàng)表面強(qiáng)化工藝，它只能消除表面2 mm之內(nèi)的拉應(yīng)力，預(yù)制壓應(yīng)力，無(wú)法對(duì)整體構(gòu)件消除焊接殘余應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效以其適用性強(qiáng)、耗能少、設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)單靈活等一系列的優(yōu)點(diǎn)在消除焊接殘余應(yīng)力的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

從19世紀(jì)20年代這項(xiàng)技術(shù)被發(fā)明至今，已有大量的研究人員對(duì)振動(dòng)時(shí)效的各個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，這些工作主要集中在振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理［1－4］、時(shí)效效果的評(píng)定方法［5－7］以及振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用［8－10］三個(gè)方面。但是對(duì)時(shí)效參數(shù)和材料參數(shù)對(duì)時(shí)效效果的影響方面研究非常少。振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理的闡述主要有兩種:一種為振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的效果源于振動(dòng)過(guò)程中材料內(nèi)部的位錯(cuò)發(fā)生增殖和相互纏結(jié)［1］;另一種為振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中，外加載荷造成的應(yīng)力與構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力相互疊加后超過(guò)屈服極限，在微區(qū)產(chǎn)生塑性變形，通過(guò)釋放應(yīng)力集中處的殘余應(yīng)力達(dá)到調(diào)整整體構(gòu)件的殘余應(yīng)力［3］。無(wú)論基于何種機(jī)理，振動(dòng)時(shí)效的效果都與材料本身的組織有關(guān)。在此對(duì)組織結(jié)構(gòu)相似的兩種鋼材進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理并考察振動(dòng)時(shí)效的效果，討論材料的組織對(duì)振動(dòng)時(shí)效效果的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

為了分析材料性能對(duì)振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力效果的影響，選擇兩種組織結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)鋼——Q235與D36鋼的焊件作為振動(dòng)時(shí)效處理的對(duì)象，振動(dòng)時(shí)效處理后得到兩者振動(dòng)時(shí)效效果的差別。然后討論材料性能對(duì)振動(dòng)時(shí)效效果的影響。為了保證兩種材料試件試驗(yàn)結(jié)果的可比性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中令試件的尺寸相同，振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)參數(shù)相同。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為Q235和D36結(jié)構(gòu)鋼。Q235結(jié)構(gòu)鋼的具體化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。試件加工成尺寸為200 mm×1 000 mm的試板，開(kāi)60°坡口，留3 mm鈍邊。將兩塊試件焊接成一塊400 mm×1 000 mm的長(zhǎng)條形試件。焊接時(shí)采用焊條電弧焊，J422焊條。焊接時(shí)包括打底焊共四層，電流150～180 A，電壓25 V，封底焊時(shí)焊接速度為300 mm/min，其他焊道240 mm/min。

圖1 試件示意

表1 Q235鋼的化學(xué)成分 %

表2 Q235鋼的主要力學(xué)性能

D36結(jié)構(gòu)鋼為低合金中高強(qiáng)度鋼，其具體化學(xué)成分見(jiàn)表3。試件形式和具體尺寸與Q235試件相同，試板尺寸200 mm×1 000 mm，開(kāi)60°坡口，留3 mm鈍邊，焊接方法與Q235相同。

表3 D36鋼的化學(xué)成分 %

表4 D36鋼的主要力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

振動(dòng)時(shí)效處理所用設(shè)備為海倫博大生產(chǎn)的VSR－A型振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)激振器直接裝夾在試件端部，試件的四個(gè)角用橡膠墊支撐，壓電傳感器置于試件長(zhǎng)度方向中間1/3區(qū)域內(nèi)的焊趾處。振動(dòng)時(shí)效的參數(shù)包括振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和振動(dòng)時(shí)間。振動(dòng)時(shí)效前通過(guò)掃頻獲得構(gòu)件的頻率振幅曲線(xiàn)，選取頻率振幅曲線(xiàn)上最高峰對(duì)應(yīng)的頻率作為振動(dòng)時(shí)效處理的頻率。調(diào)整激振器的檔位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激振力的調(diào)整，觀(guān)察試件的振動(dòng)狀態(tài)，以能夠?qū)崿F(xiàn)試件穩(wěn)定振動(dòng)的同時(shí)焊縫處的振幅較大為準(zhǔn)確定激振器的檔位。為了保證兩組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件相同，在對(duì)Q235試件和D36試件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效的兩組試驗(yàn)中，振動(dòng)頻率選擇一階共振頻率，激振器的檔位為半檔，振動(dòng)時(shí)間依據(jù)振動(dòng)時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)確定為30 min。

采用盲孔法測(cè)量振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力，測(cè)量殘余應(yīng)力的設(shè)備為CM－1J－20型數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀，鉆孔直徑1.5 mm，鉆孔深2 mm。由于平板焊接構(gòu)件在試件中間1/3的區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力分布穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)假設(shè)在試件中間1/3區(qū)域內(nèi)距焊縫距離相同的位置殘余應(yīng)力相同。測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)從焊趾開(kāi)始垂直于焊縫方向逐漸遠(yuǎn)離焊縫，為了保證相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)間不相互影響，相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的間距大于15 mm。殘余應(yīng)力測(cè)量位置示意如圖2所示。

采用CSS－44300型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件的靜拉伸性能測(cè)試，使用GX71倒置式光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行組織觀(guān)察。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 振動(dòng)時(shí)效及殘余應(yīng)力測(cè)量

Q235試件振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表5所示，橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力的比較結(jié)果如圖3所示。振動(dòng)時(shí)效后，無(wú)論是垂直于焊縫還是平行于焊縫的方向，殘余應(yīng)力都出現(xiàn)了明顯的降低，橫向殘余應(yīng)力的降低幅度高于縱向殘余應(yīng)力的降低幅度。測(cè)量位置中殘余應(yīng)力最高的位置為距離焊縫中心18 mm處，其橫向殘余應(yīng)力降低72.38%，縱向殘余應(yīng)力降低20.72%。殘余應(yīng)力降低程度所表現(xiàn)出的規(guī)律是:橫向殘余應(yīng)力降低得較多的位置，縱向殘余應(yīng)力降低的較少。在距離焊縫中心28 mm處，橫向殘余應(yīng)力由之前的148 MPa轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。殘余應(yīng)力的最大降低量為180.6 MPa，最小降低量為32.3 MPa，殘余應(yīng)力的降低量遠(yuǎn)超過(guò)盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的誤差。表明振動(dòng)時(shí)效會(huì)對(duì)Q235試件的殘余應(yīng)力帶來(lái)明顯的影響，使其整體降低，局部位置可以實(shí)現(xiàn)單方向殘余應(yīng)力的消除，將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

表5 Q235試件振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力比較

圖3 Q235試件件VSR處理前后殘余應(yīng)力比較

D36試件振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表6所示，橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力的比較結(jié)果如圖4所示。從殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果中可見(jiàn)焊趾處的殘余應(yīng)力最高，振動(dòng)時(shí)效處理后，焊趾處的橫向殘余應(yīng)力略有升高，升高幅度為3.85%，縱向殘余應(yīng)力略有降低，降低幅度為0.2%。殘余應(yīng)力變化的最高值為40.2 MPa，最小值為0.2 MPa。若考慮到盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的誤差，可以認(rèn)為在采用與Q235試件相同處理工藝的試驗(yàn)條件下，D36試件內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力幾乎不發(fā)生變化。

表6 D36試件振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力比較

圖4 D36試件件VSR處理前后殘余應(yīng)力比較

2.3 Q235與D36焊件的微觀(guān)組織

殘余應(yīng)力的測(cè)量位置為焊趾和母材，為了考察組織對(duì)振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力的效果的影響，對(duì)比分析Q235與D36焊接試件在焊趾及母材的微觀(guān)組織形貌，如圖5所示。兩種材料都是由鐵素體與珠光體組成，鐵素體全部為粒狀，少部分珠光體為粒狀，大部分的珠光體為帶狀。D36珠光體晶粒的尺寸與鐵素體晶粒的尺寸相當(dāng);而Q235母材中珠光體晶粒比鐵素體晶粒尺寸小。兩種材料的晶粒尺寸相比，D36母材的晶粒尺寸更小。

圖5 母材組織對(duì)比

焊趾部位通常是殘余應(yīng)力較高的部位，焊趾部位對(duì)應(yīng)于試件熱影響區(qū)中的過(guò)熱區(qū)部位，其組織如圖6所示。在宏觀(guān)金相觀(guān)察中，根據(jù)顏色和形狀的不同，可觀(guān)察到明顯的熔合線(xiàn)。焊縫側(cè)為放射狀的柱狀晶，熱影響區(qū)靠近焊縫的部位為過(guò)熱區(qū)粗晶區(qū)。Q235的過(guò)熱區(qū)內(nèi)為由白色針狀鐵素體形成的魏氏組織和塊狀的鐵素體，晶內(nèi)由珠光體和少量的粒狀貝氏體組成，晶內(nèi)可見(jiàn)少量的細(xì)針狀鐵素體與小塊的鐵素體，珠光體的含量明顯多于母材中組織中珠光體的含量。D36焊件焊趾部位的組織為過(guò)熱區(qū)粗晶組織，由粒狀貝氏體和少量的珠光體組成。D36焊件焊趾部位組織晶粒尺寸明顯小于Q235焊件焊趾部位晶粒的 尺寸。

圖6 熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)組織對(duì)比

2.4 對(duì)比與分析

振動(dòng)時(shí)效降低殘余應(yīng)力的機(jī)理主要有兩種:一種理論認(rèn)為在振動(dòng)過(guò)程中，外加的動(dòng)應(yīng)力與試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力相迭加超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度后在應(yīng)力集中部位發(fā)生塑性變形，使殘余應(yīng)力得到釋放;另一種理論從位錯(cuò)的角度解釋?zhuān)J(rèn)為振動(dòng)過(guò)程中的微觀(guān)塑性變形是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，因此振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理為振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部較高殘余應(yīng)力位置的位錯(cuò)啟動(dòng)，在材料內(nèi)部的位錯(cuò)的增殖與相互纏結(jié)的過(guò)程中殘余應(yīng)力得到釋放。Q235焊件振動(dòng)時(shí)效效果較好，在焊接殘余應(yīng)力較高部位更容易發(fā)生塑性變形，或在該位置位錯(cuò)更容易發(fā)生移動(dòng)。

Q235與D36結(jié)構(gòu)鋼均屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含碳量均低于0.3%，屬于低碳鋼的范疇，兩者的主要成分相似，母材的微觀(guān)組織相同，由粒狀鐵素體和帶狀的珠光體組成。熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)的組織相似，主要由貝氏體和珠光體組成，但組織的形狀有明顯差異。兩種焊件母材與焊趾部位組織差異主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:

(1)相的比例。Q235焊件熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)和母材區(qū)中珠光體的含量高于D36焊件。

(2)晶粒的尺寸與形狀。D36焊件無(wú)論是母材還是熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)晶粒的尺寸都明顯小于Q235。

鐵素體與純鐵的晶格結(jié)構(gòu)相同，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，具有良好的塑性與韌性;珠光體的塑韌性較好，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鐵素體，鐵素體較珠光體更容易發(fā)生塑性變形。Q235焊件高應(yīng)力區(qū)內(nèi)珠光體含量較高，不易發(fā)生塑性變形。按照傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效理論，應(yīng)當(dāng)較難在振動(dòng)中釋放應(yīng)力，但是在本實(shí)驗(yàn)中，Q235焊縫的振動(dòng)時(shí)效效果卻較好。因此可以判斷珠光體與鐵素體的比例不是影響殘余應(yīng)力消除效果的主要原因。

無(wú)論是母材還是焊趾部位，D36的晶粒都明顯小于Q235的晶粒。根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化理論，當(dāng)晶粒較細(xì)時(shí)，較多的晶界不僅會(huì)阻礙滑移使屈服強(qiáng)度升高，也會(huì)給位錯(cuò)的啟動(dòng)和運(yùn)動(dòng)增加更多的能量。因此在較細(xì)晶粒的D36試件中，位錯(cuò)更難啟動(dòng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也更大，使得振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中位錯(cuò)變化較少，因而振動(dòng)消除殘余應(yīng)力的效果較差。因此晶粒尺寸的不同是Q235焊件與D36焊件振動(dòng)時(shí)效效果差異的主要原因。

3 結(jié)論

(1)在相同的振動(dòng)時(shí)效處理?xiàng)l件下，Q235焊件焊接殘余應(yīng)力的降低幅度遠(yuǎn)大于D36。Q235焊件振動(dòng)時(shí)效后，焊接殘余應(yīng)力的最大降低量為180.6 MPa，與振動(dòng)時(shí)效前相比，最大變化幅度為122.02%;D36焊件振動(dòng)時(shí)效后，焊接殘余應(yīng)力的最大降低量為12 MPa，最大變化幅度為24.24%。

(2)Q235與D36焊件焊趾部位組織的主要區(qū)別為不同相的比例不同和晶粒尺寸的差異，D36焊件焊趾部位珠光體含量較少，且晶粒較細(xì)。

(3)焊縫熱影響區(qū)的晶粒尺寸是決定振動(dòng)消除應(yīng)力效果的主要因素，而珠光體和鐵素體的比例則不是主要因素。晶粒越小，晶界越多，振動(dòng)過(guò)程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)啟與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)所需要的能量越大，使振動(dòng)消除殘余應(yīng)力產(chǎn)生效果所需的能量越大。晶粒越細(xì)小的試件，振動(dòng)時(shí)效越難產(chǎn)生效果。

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