超聲波振動錘擊法消減焊接殘余應(yīng)力的應(yīng)用

倪春華，葉俊豹

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200123

1 序言

我國是鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)大國，隨著焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，對鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，為此焊后對消除或降低焊接殘余應(yīng)力的工藝需求也同步提高。超聲波振動錘擊工藝是一種近年來新發(fā)展起來的焊后處理消應(yīng)力技術(shù)，具有能耗低、效率高等特點。在大厚板的施焊中，因為構(gòu)件剛性較大，所以在構(gòu)件內(nèi)部會產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力。由于構(gòu)件內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力的存在，隨著時間及環(huán)境變化等因素的影響，會直接影響到結(jié)構(gòu)件的靜載、動載、疲勞和壓曲強度，以及斷裂柔韌性、尺寸穩(wěn)定性及抗腐蝕能力等性能，所以鋼結(jié)構(gòu)制作過程中對消除或降低焊道殘余應(yīng)力的摸索就顯得極其關(guān)鍵。本文以上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的新加坡龍門吊的厚板焊接為對象，研究超聲波振動錘擊法對厚板焊縫應(yīng)力的影響，為后續(xù)生產(chǎn)提供借鑒。

2 焊接裂紋

焊接裂紋是大厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接件中最常見的一種嚴(yán)重缺陷，在其焊接殘余應(yīng)力、構(gòu)件本身剛性較大以及其他影響因素的共同作用下，焊接接頭局部應(yīng)力集中地區(qū)的金屬結(jié)合力遭到破壞，焊縫沿此產(chǎn)生開裂，并會在力的作用下不斷延伸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂失穩(wěn)，產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題及事故。為此如何避免裂紋產(chǎn)生，一直是焊接作業(yè)的重點之一。

焊接裂紋的產(chǎn)生是由多方面因素引起的，根據(jù)出現(xiàn)的類型，可簡單分為冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋，其中冷裂紋在焊接生產(chǎn)過程中較為常見。其產(chǎn)生的三大影響因素為：①金屬的含氫量偏高。②焊縫接頭產(chǎn)生淬硬組織。③焊接拘束應(yīng)力（或應(yīng)變）。本文主要對冷裂紋的產(chǎn)生因素進(jìn)行探討。

新加坡龍門吊主梁為箱體結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域結(jié)構(gòu)屬于厚板焊接，板材為A709-50-2，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。板材最厚處可達(dá)50mm，采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊填充蓋面，焊材化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2。焊接過程中由于板材本身的剛性，以及拼裝后箱形梁所受拘束度的影響，焊接接頭區(qū)域會存在較大的殘余應(yīng)力，所以焊后容易存在冷裂紋隱患。48h無損檢測后也驗證了這一點，部分焊接接頭出現(xiàn)裂紋缺陷。針對這種情況，對產(chǎn)生缺陷的焊縫進(jìn)行焊接返修，并對后續(xù)焊接接頭采用超聲波振動錘擊法對構(gòu)件進(jìn)行消應(yīng)力處理，進(jìn)一步降低裂紋的產(chǎn)生傾向。龍門吊厚板焊接施工現(xiàn)場如圖1所示。

表1 龍門吊板材化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 龍門吊焊材化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖1 龍門吊厚板焊接施工現(xiàn)場

3 焊接殘余應(yīng)力

3.1 焊接殘余應(yīng)力的概念

鋼板焊接時焊道熔池會產(chǎn)生局部高溫，致使構(gòu)件上出現(xiàn)不均勻的溫度場，焊縫熔池中心處溫度最高可達(dá)1600℃以上，隨著距離的加大，周邊區(qū)域溫度下降至室溫。因此高溫部分鋼板與鄰近低溫鋼板區(qū)域，因鋼板Z向厚度本身的剛性會產(chǎn)生一定的約束力，從而在焊道區(qū)域存在較高的內(nèi)應(yīng)力，并在焊接操作過程中隨著時間和溫度的變化而不停地變化，這稱為焊接應(yīng)力。

焊接應(yīng)力較高的區(qū)域會超出鋼材本身的屈服強度極限，從而出現(xiàn)塑性變形，這點在薄板焊接中較為常見。在厚板焊接中，由于鋼材拘束力所造成的焊縫冷卻過程中無法釋放的應(yīng)力，往往會殘存在焊道區(qū)域，這種情況稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力隨焊道的形態(tài)、方位、長度，以及焊接的工藝、先后次序、焊接速率等條件而顯著不同。比較具有代表性的焊接殘余應(yīng)力為角焊縫焊腳處應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致產(chǎn)生的焊縫開裂現(xiàn)象。另外，焊件在高溫下不僅發(fā)生塑性和熱塑性，而且鋼材在高溫下的屈服強度和變形模量等都隨溫度升高而顯著降低或變化[1，2]。因而，顯得對于殘余應(yīng)力的高精度計算難度較大，當(dāng)下對各類典型構(gòu)件的殘余應(yīng)力常用試驗方式進(jìn)行測定。

在鋼板厚度較小處，采用焊接形式連接的鋼結(jié)構(gòu)中，焊道的殘余應(yīng)力基本上都是兩個方向的，即縱向及橫向的殘余應(yīng)力，而在厚度方位的溫度比較均勻，焊接殘余應(yīng)力相對較小。只在較大厚度的焊接鋼結(jié)構(gòu)中，板厚方位的殘余應(yīng)力才能達(dá)到較大的數(shù)值。

3.2 厚板中沿板厚方向的焊接殘余應(yīng)力

厚板施焊是需采用多層多道焊的，在焊道厚度方向?qū)a(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，并且焊道表面與中間的溫度分布不均勻，也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其分布位置及方向與焊接參數(shù)密切相關(guān)。因此在厚板焊道區(qū)域的雙向（縱向和橫向）焊接殘余應(yīng)力，沿焊道厚度方向也是變化的，50mm厚板V形坡口多層焊沿厚度上的殘余應(yīng)力分布如圖2所示。一般情況下，當(dāng)焊道厚度在25mm以下時，基本上可以把焊接殘余應(yīng)力看成是平行雙向的，可以不將厚度方位及沿厚度方位平面應(yīng)力的大小變化作為參考。厚度方位垂直殘余應(yīng)力若與平面雙向殘余應(yīng)力較接近時，很容易使此區(qū)域材料變脆。

圖2 50mm厚板V形坡口多層焊沿厚度上的殘余應(yīng)力分布

4 超聲波振動錘擊法

4.1 超聲波振動錘擊法的原理

超聲波振動錘擊處理技術(shù)的實現(xiàn)，是由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿和手持式?jīng)_擊頭來組成的超聲波振動錘擊設(shè)備來完成的。超聲波振動錘擊設(shè)備原理如圖3所示。

圖3 超聲波振動錘擊設(shè)備原理

由圖3可知，設(shè)備接通電源經(jīng)過超聲波換能器轉(zhuǎn)化為動能，傳遞到變幅桿產(chǎn)生高頻率振蕩推動沖擊頭，在熔合線區(qū)域以20kHz/s以上的頻率錘擊焊道，使錘擊范圍表面產(chǎn)生特定深度的塑性變形，以此有效地改變?nèi)酆暇€的表層形態(tài)，使其平順過渡，減少焊縫的應(yīng)力集中數(shù)值，使得焊道附近特定區(qū)域的母材得到改善，重新調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場[3]。振動錘擊在應(yīng)力集中區(qū)域表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，將有效地改善、均勻化和消除焊接殘余應(yīng)力，從而改善焊縫的疲勞強度。

超聲波振動錘擊具有對熔合線焊腳區(qū)域一定深度的表層進(jìn)行消除或降低應(yīng)力的作用，如果采用對焊道進(jìn)行全覆蓋錘擊時，被錘擊的表面會形成更大數(shù)值的壓應(yīng)力，這樣對殘余應(yīng)力的消除會起到更好的效果。此外，采用熔合線區(qū)域錘擊消除應(yīng)力；可以有效地改善該區(qū)域的熔合瑕疵及減少應(yīng)力集中；可使焊接接頭疲勞強度提高50%~120%，疲勞壽命延長5~100倍，并且可使金屬在腐蝕環(huán)境下的抗腐蝕能力提高約400%。

4.2 超聲波振動錘擊法的特點

超聲波振動錘擊消除殘余應(yīng)力的特點是將沖擊頭錘擊加速度控制在2×105m/s以上，作用時間一般為10-5~10-6s，過程中在焊縫錘擊區(qū)域表面的溫度會急劇上升及冷卻，并在交變冷熱循環(huán)及外應(yīng)力撞擊的作用下，使得錘擊區(qū)域淺表層約0.1mm形成白化層，在表面1~1.5mm區(qū)域為主要塑性變形層，可消除焊腳處表層的微小裂紋和熔渣缺陷，起到阻止裂紋萌生的作用。

4.3 超聲波振動錘擊法的操作工藝

超聲波振動錘擊應(yīng)在焊縫變形矯正、外觀檢測及無損檢測合格后，且在焊縫外形修補、檢測合格后進(jìn)行。工藝流程為焊接→外觀檢查和無損檢測→清除焊腳熔渣、飛濺→打磨后上色→實施超聲波錘擊處理→錘擊檢查。

錘擊操作者應(yīng)通過專業(yè)培訓(xùn)，熟悉超聲波錘擊設(shè)備的使用原理，嚴(yán)格按照《產(chǎn)品使用說明書》進(jìn)行作業(yè)。在進(jìn)行振動錘擊前應(yīng)清理錘擊區(qū)域的焊渣、飛濺、油污等雜物，錘擊區(qū)域需保持干燥狀態(tài)。清理后在錘擊范圍內(nèi)的表面涂抹顏色，涂抹范圍為焊縫及兩側(cè)焊腳外沿10mm寬的母材熱影響區(qū)。超聲波振動錘擊時，采用近似于錘體自重產(chǎn)生的力度，且錘擊范圍勻稱地覆蓋熔合線及規(guī)定的振動錘擊部位，錘擊表面不得出現(xiàn)褶皺重疊和細(xì)小裂紋的缺陷。超聲波振動錘擊完成后，不得對被錘擊區(qū)域進(jìn)行補焊、打磨等干擾錘擊效果的任何處理。

超聲波錘擊區(qū)域應(yīng)為焊縫兩側(cè)焊腳區(qū)域，對于對接焊縫，可以是焊縫兩側(cè)焊腳區(qū)域以及焊縫區(qū)域（見圖4）。

圖4 角焊縫錘擊區(qū)域

關(guān)于錘擊槍錘頭的使用以及錘頭角度的要求：對接接頭和T形接頭均使用扁平錘頭。根據(jù)錘擊部位不同，針對對接接頭錘頭與母材焊道夾角約為90°，將錘頭對準(zhǔn)熔合線；針對T形接頭錘頭與水平板面夾角為75°~80°，將錘頭對準(zhǔn)焊道間內(nèi)凹溝槽線（見圖5）。

圖5 錘擊角度

超聲波振動錘擊法在使用過程中，錘頭應(yīng)沿著熔合線或焊縫移動，最佳移動速率控制在0.5m/min左右，勻速進(jìn)行，每段往復(fù)處理4遍。然后根據(jù)圖樣要求將對接焊道余高修磨至與母材平順過渡，T形接頭焊道光滑過渡，錘擊時電流控制在1.5～2A。針對角接焊縫，應(yīng)錘擊焊腳位置，錘擊時電流控制在1.5～2A。

在新加坡龍門吊項目上，考慮到厚板焊接存在焊接殘余應(yīng)力，為此在厚板拼板焊接的制作過程中進(jìn)行了超聲波錘擊消除應(yīng)力處理，效果尤為顯著。與以往項目的厚板焊接對比，大大減少了冷裂紋的產(chǎn)生，避免了厚板焊接出現(xiàn)的大量返修工作，提高了生產(chǎn)效率，對項目的按期交付起到了一定的作用，如圖6所示。

圖6 超聲波振動錘擊法消應(yīng)力現(xiàn)場應(yīng)用

5 超聲波振動錘擊法消除殘余應(yīng)力的優(yōu)勢

由于超聲波振動錘擊法能同時對焊接殘余應(yīng)力、表面微觀裂紋和瑕疵、熔合線的幾何形態(tài)及表面強化起到優(yōu)化作用，因此能有效提高焊縫的疲勞性能，有事半功倍的效果。消除應(yīng)力設(shè)備外形尺寸小，基本不占用施工場地，不受構(gòu)件的材料性能、輕重及形態(tài)的限制，使用起來比較方便。并且，該處理方法環(huán)保、節(jié)能、安全、無污染。

6 結(jié)束語

本文主要介紹了超聲波振動錘擊法消除應(yīng)力處理的方法，以及振動錘擊法在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用案例。目前，在港口機械生產(chǎn)制造過程中，大厚板焊接是比較普遍的現(xiàn)狀，超聲波振動錘擊法不失為一種有效消除焊接殘余應(yīng)力的手段。無論是從經(jīng)濟(jì)性，還是從環(huán)保性來說，超聲波振動錘擊法都有其獨特的優(yōu)勢。雖然該處理方法還尚未廣泛應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，但是其顯著的效果也是不可否認(rèn)的，具體還需要在試驗和操作中去發(fā)現(xiàn)和掌握。