不同超聲沖擊條件對(duì)異種鋼焊接接頭殘余應(yīng)力消除率的影響

常通 平德純 劉強(qiáng) 韓立華

摘要：分別采用不同的沖擊電流（3個(gè)）和沖擊時(shí)間（3個(gè)），以這兩個(gè)參數(shù)組合成9組試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行超聲沖擊后，采用盲孔法檢測(cè)殘余應(yīng)力。研究結(jié)果表明，齒座焊趾經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，殘余應(yīng)力消除率為68%～122%。當(dāng)沖擊時(shí)間不變時(shí)，殘余應(yīng)力消除率會(huì)隨沖擊電流增大而提高，最大增幅低于34%，當(dāng)電流為3.1 A時(shí)可以在表面形成較大的壓應(yīng)力。當(dāng)沖擊電流不變，增大沖擊時(shí)間時(shí)消除率的降幅較小，增幅低于16%。切割頭齒座與筒體焊接接頭超聲沖擊處理的最佳電流值為2.7～3.1 A，最佳沖擊時(shí)間不大于250 s。

關(guān)鍵詞：超聲沖擊;壓應(yīng)力;殘余應(yīng)力;屈服強(qiáng)度;工程機(jī)械

中圖分類號(hào)：TG404? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0132-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.25

0? ? 前言

工程機(jī)械大多采用焊接方法制造結(jié)構(gòu)件。焊接一般是局部加熱過(guò)程，焊件中殘余應(yīng)力較大[1]。工作過(guò)程中可能發(fā)生工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加，導(dǎo)致材料發(fā)生屈服、變形、斷裂等失效。目前，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件常規(guī)的去應(yīng)力方法為振動(dòng)時(shí)效及熱處理。振動(dòng)時(shí)效只能均化應(yīng)力，殘余應(yīng)力的去除比例較低;熱處理工藝具有處理周期長(zhǎng)、工件表層易氧化、成本高等缺點(diǎn)[2]，且高強(qiáng)鋼焊件經(jīng)熱處理母材強(qiáng)度會(huì)下降10%以上。

超聲沖擊是目前國(guó)內(nèi)外比較流行的消除焊接殘余應(yīng)力的方法，它是利用超聲波振動(dòng)驅(qū)動(dòng)沖擊針高速撞擊工件表面，使工件表面產(chǎn)生塑性變形的一種技術(shù)[3]，具有能耗與成本低、去應(yīng)力效果好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4]。但目前在異種鋼材料焊接接頭去應(yīng)力方面的研究很少，文中以某工程掘進(jìn)機(jī)切割頭異種鋼焊接接頭為例，研究不同超聲沖擊電流和沖擊時(shí)間對(duì)此類接頭殘余應(yīng)力的影響。

1 試驗(yàn)方法與過(guò)程

掘進(jìn)機(jī)切割頭齒座（8637）與筒體（ZG16Mn）為異種鋼接頭。母材化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。焊接方法為GMAW[保護(hù)氣體為φ （Ar）80%+φ（CO2）20%]多層多道焊，焊接材料為φ1.2mm ER69-G?？梢钥闯觯琙G16Mn屬于低碳鋼，焊接性較好（CE≥0.32%）;8637屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼（CE≥0.64%），當(dāng)CE大于0.45%時(shí)，材料淬硬傾向明顯[1]。8637 鋼的CE≥0.64%，說(shuō)明其淬硬性明顯，冷裂傾向非常嚴(yán)重。

如圖1所示，焊接接頭為開坡口的T型接頭再加30 mm角焊接。焊接填充量非常大，殘余應(yīng)力很大，在硬巖掘進(jìn)施工過(guò)程中極易開裂。由于齒座為調(diào)質(zhì)件，若焊后采用去應(yīng)力退火處理，強(qiáng)度與硬度降低太多，因而使用超聲沖擊來(lái)降低殘余應(yīng)力。

超聲沖擊的原理如圖2所示，沖擊槍中的磁致伸縮換能器將超聲頻電振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，再由與之連接的變幅桿將振幅放大后傳遞至沖擊針。超聲振動(dòng)能量在沖擊針與工件接觸時(shí)向工件內(nèi)部傳遞，加速被沖擊區(qū)材料的塑性變形[4]。從而有效消除焊縫表面的殘余拉應(yīng)力，引入殘余壓應(yīng)力，提高焊接構(gòu)件的疲勞壽命。

而后采用盲孔法測(cè)量超聲沖擊前后掘進(jìn)機(jī)切割頭異種鋼焊接接頭殘余應(yīng)力。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

（1）焊接設(shè)備：松下YD500- FR2氣保焊機(jī)。

（2）清渣工具：φ125 mm 電動(dòng)角向磨光機(jī)。

（3）超聲沖擊設(shè)備：HY2050G 超聲沖擊儀，如圖3所示。

1.2 超聲沖擊試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用3個(gè)沖擊電流（I1=2.2 A，I2=2.7 A，I3=3.1 A）和3個(gè)沖擊時(shí)間（T1=105 s，T2=250 s，T3=400 s），以這兩個(gè)參數(shù)組合成9組試驗(yàn)點(diǎn)（編號(hào)I1T1～ I3T3）進(jìn)行超聲沖擊，然后檢測(cè)接頭表面殘余應(yīng)力，最終得出切割頭齒座焊趾超聲沖擊去應(yīng)力的最佳參數(shù)，測(cè)試參數(shù)如表3所示。

工件表面看作主應(yīng)力為σ1、σ2的兩項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)，檢測(cè)出各點(diǎn)應(yīng)變值，并按照下面的公式計(jì)算：

其中A、B為釋放系數(shù)

式中 R為應(yīng)變片敏感柵的中心與孔中心的距離與所鉆孔的半徑之比;μ為泊松比;E為彈性模量;σ1為最大主應(yīng)力（單位：MPa）;σ2為最小主應(yīng)力;θ為最大主應(yīng)力與應(yīng)變?chǔ)?的夾角，應(yīng)變?chǔ)?、應(yīng)變?chǔ)?、應(yīng)變?chǔ)?分別是0°、45°、90°方向的應(yīng)變值。文中主要分析影響結(jié)構(gòu)性能的最大主應(yīng)力。

1.2.2 殘余應(yīng)力測(cè)試

采用HK21A應(yīng)力測(cè)試儀分別測(cè)試超聲沖擊處理前后焊趾處的殘余應(yīng)力[5]，鉆孔直徑φ1.5 mm，孔深2 mm，應(yīng)變片型號(hào)為TJ120-1.5-φ1.5，檢測(cè)點(diǎn)與焊趾的距離為2 mm，如圖4所示。

每組沖擊參數(shù)分別測(cè)量沖擊區(qū)和未沖擊區(qū)3個(gè)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)取3個(gè)點(diǎn)的平均值。相鄰檢測(cè)點(diǎn)的間隔超過(guò)20 mm，按照CB 3395-2013《殘余應(yīng)力測(cè)試方法-鉆孔應(yīng)變釋放法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

超聲沖擊前的切割頭齒座焊趾應(yīng)力值及應(yīng)變值如表4所示?？梢钥闯?，焊趾的最大主應(yīng)力值均為正值，即拉應(yīng)力，且最大應(yīng)力為342 MPa，大于ZG16Mn材料的屈服強(qiáng)度。如果殘余拉應(yīng)力與工作應(yīng)力的合力大于齒座或筒體的抗拉強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致焊趾處開裂。

為闡明超聲沖擊后的去應(yīng)力問(wèn)題，用消除率 ψ來(lái)表達(dá)， ψ=（σb-σa）/σ前×100%，σb為超聲沖擊前9個(gè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力，σa為超聲沖擊后9個(gè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力。超聲沖擊處理結(jié)果如表5所示，焊趾最大主應(yīng)力減小，甚至變?yōu)樨?fù)值，即壓應(yīng)力。

由表5、圖5可知，齒座焊趾經(jīng)超聲沖擊后，殘余應(yīng)力的消除率為68%～122%，應(yīng)力去除效果較優(yōu)。當(dāng)電流為2.2 A時(shí)，殘余應(yīng)力消除率只有68%～73%，增加沖擊時(shí)間，消除率略微增大，但增幅不超過(guò)6%。當(dāng)提高電流至 2.7 A時(shí)，消除率達(dá)到80%～93%，較電流為2.2 A時(shí)增加19%。增加沖擊時(shí)間，消除率略微增大，但增幅不超過(guò)16%。當(dāng)提高電流至 3.1 A后殘余應(yīng)力均為負(fù)值，即壓應(yīng)力，消除率達(dá)到102%～122%，比電流為2.7 A時(shí)增加34%，增加沖擊時(shí)間，消除率增大，增幅不超過(guò)14%。

產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因?yàn)楹暧^上的應(yīng)力應(yīng)變及微觀上的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)與晶粒尺寸的變化。超聲沖擊時(shí)沖擊針以約20 kHz的頻率在材料表層連續(xù)不斷沖擊，使材料表面產(chǎn)生往復(fù)切應(yīng)力和塑性變形，加速位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由此引起的高應(yīng)變速率會(huì)使位錯(cuò)大量增殖，并導(dǎo)致位錯(cuò)來(lái)不及運(yùn)動(dòng)，晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度迅速增大[6]，強(qiáng)化超聲沖擊的位置。

當(dāng)被沖擊表面發(fā)生塑性變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生加工硬化，導(dǎo)致沖擊區(qū)屈服強(qiáng)度上升，若沖擊力和殘余應(yīng)力的合力與屈服強(qiáng)度接近時(shí)，不會(huì)再發(fā)生塑性變形。當(dāng)增大沖擊電流I，即加大沖擊力及沖擊能量時(shí)，才會(huì)打破此平衡狀態(tài)。由于超聲沖擊應(yīng)力波的傳播與疊加，在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生能量的聚集，加快了晶體中原子振動(dòng)的振幅和頻率，引起部分不易滑移的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，即發(fā)生超聲軟化，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度降低，而且更易塑性變形，并在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大深度的晶粒細(xì)化層[7]。隨著沖擊時(shí)間T的增加，焊接接頭表面塑性變形逐漸穩(wěn)定，當(dāng)繼續(xù)增加沖擊時(shí)間T時(shí)，并不會(huì)導(dǎo)致塑性變形，微觀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生大深度的晶粒細(xì)化層增幅降低，因此殘余應(yīng)力消除率ψ變化較小。因文中選用的 3 個(gè)沖擊時(shí)間 T1、T2、T3對(duì)殘余應(yīng)力消除率ψ的影響較小，最大增幅不超過(guò)16%。效果沒有增大沖擊電流明顯，且單純?cè)黾記_擊時(shí)間會(huì)導(dǎo)致去應(yīng)力效率降低，增加去應(yīng)力成本，因此最佳的沖擊時(shí)間應(yīng)不大于250 s。

3 應(yīng)用實(shí)例

徐工工程機(jī)械公司生產(chǎn)的隧道掘進(jìn)機(jī)用切割頭齒座與筒體為異種鋼T型接頭焊接，齒座根部焊趾處存在應(yīng)力集中以及殘余拉應(yīng)力過(guò)大，在硬巖工況施工時(shí)切割頭質(zhì)量反饋率高達(dá)8.33%，客戶滿意度低。應(yīng)用超聲沖擊對(duì)齒座根部焊趾處進(jìn)行去應(yīng)力處理，外部質(zhì)量反饋率下降至5.78%，降幅達(dá)到30%。

4 結(jié)論

切割頭結(jié)構(gòu)件焊腳尺寸很大，殘余應(yīng)力也很高，且為調(diào)質(zhì)鋼，無(wú)法使用熱處理，類似結(jié)構(gòu)件的去應(yīng)力是工程機(jī)械行業(yè)的難題，其焊接質(zhì)量的提升也是影響產(chǎn)品銷售的關(guān)鍵所在。該研究成果對(duì)同行有一定的借鑒價(jià)值，可以用于巖石切割及掘進(jìn)設(shè)備部分的去應(yīng)力，提高抗沖擊和疲勞性能，促進(jìn)地鐵施工、隧道掘進(jìn)等設(shè)備的發(fā)展，為客戶提高切割效率、縮短施工周期。

（1）經(jīng)超聲沖擊處理，切割頭齒座焊趾殘余應(yīng)力減小，殘余應(yīng)力消除率為68%～122%。當(dāng)沖擊電流大于或等于2.7 A時(shí)，可在表面形成較大的壓應(yīng)力。

（2）若固定沖擊時(shí)間T，殘余應(yīng)力消除率會(huì)隨沖擊電流I的增大而變大，最大增幅達(dá)34%。而當(dāng)固定沖擊電流I，加大沖擊時(shí)間T，消除率變化效果一般，增幅低于16%。

（3）切割頭齒座與筒體焊接接頭超聲沖擊處理的最佳沖擊電流值為 2.7～3.1 A，最佳沖擊時(shí)間為不大于250 s。

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