表面強化技術在焊接領域中的應用研究進展

那 飛，龍 瓊，伍劍明，蘇向東

(貴州理工學院材料與能源工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

焊接是我國“強基工程”中基礎工藝之一，標志著國家的工業技術水平，支撐國家建設及國防安全，目前我國鋼鐵產量的60%需要焊接[1]。焊接技術以其成本低、工藝簡單等優點被廣泛應用于結構和構件的制造。在《中國制造2025》重點發展的十大領域中，八個領域與焊接密切相關[2]。然而，焊接過程通常會對焊接件施加殘余拉伸應力，會對焊接接頭的疲勞性能等造成不利影響，而殘余壓應力通常可顯著提高焊接接頭的疲勞壽命。

表面強化技術可用來細化金屬表層的晶粒度，增加金屬的表面硬化程度，減少材料中因為存在的缺陷導致的一系列問題，以及在金屬表層引入有益的殘余壓應力來提高金屬零件的性能[3-5]。該技術廣泛應用在焊接領域中，用于提高焊接接頭的疲勞強度、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，并對其發展方向進行了展望。

1 研究進展

1.1 輥軋、拉伸預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，形成致密的纖維狀，并形成殘余應力層，使其硬度和強度有所提高，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%微量塑性預應變，研究了輥壓預處理對焊接接頭材料的疲勞性能和力學性能的影響，研究結果發現輥壓預處理后的接頭的強度和硬度有所提高，但疲勞極限出現明顯降低，并認為輥壓后材料中位錯的胞狀亞結構和材料內部所形成的損傷累積導致了疲勞性能下降。許飛等[8]研究了2024鋁合金攪拌摩擦焊產生的殘余應力對裂紋擴展實驗的影響，研究結果發現采用輥壓的方式可以消除焊接過程中產生的殘余拉應力，可降低裂紋擴展速率。

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

1.2 噴丸強化對焊接接頭的影響研究

噴丸強化處理焊接接頭是利用高速噴射出的硬質彈丸撞擊工件表面，在完全受控制的情況下，使零件表面在再結晶溫度下產生彈性變形和塑性變形，并表現出較大殘余壓應力，從而顯著影響材料表面粗糙度、局部應力狀態和疲勞壽命等[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性能的影響。研究結果表示Fe-Ni-Cr不銹鋼球噴丸處理表層影響深度為70～100 μm，接頭區域屈服強度和楊氏模量分別增加約20%和30%。

Dieng等[12]采用噴丸強化處理S355J2結構鋼降低焊趾附近焊縫區域的高拉伸應力，通過噴丸處理后焊接接頭附近的橫向和縱向殘余應力均下降50 MPa以上。

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

賈子妍[14]對鋁/鋼異種金屬激光焊接接頭采用噴丸處理，研究結果發現，在最佳噴丸后接頭強度最大達2 690 N，比噴丸前提高了11.7%，同時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，被廣泛應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生塑性變形，在引入殘余壓應力的同時能夠有效降低或消除殘余拉應力從而改善焊接接頭組織與性能[15]。

UIT處理技術也被認為是提高焊接結構疲勞性能最有效的焊后處理技術之一。

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力分布和疲勞性能的影響，有限元結果表明，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(UIT)和時效與超聲沖擊聯合處理(A-UIT)對7A52鋁合金焊接接頭進行了處理，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化機制為細晶強化，而A-UIT后的焊接接頭表面強化機制為細晶析出強化。

Zheng等[18]采用有限元方法對焊接過程進行了三維建模并進行了數值模擬，將焊態和UIT處理條件下的預測結果與未處理樣品焊接殘余應力改善進行了比較。研究結果表明，采用UIT-有限元分析法可以在焊接結構的疲勞設計中具有潛在的應用價值，可以實現焊接結構材料的輕量化。

1.4 高頻沖擊對焊接接頭的影響研究

高頻沖擊處理技術是一種新型有效塑性變形處理技術，具有噪音小、效率高、成本低、能耗低等優點。經過高頻沖擊處理后在金屬表面可以獲得梯度納米結構和有效的殘余應力，可以顯著改善金屬材料的力學性能[19]。

Zhang等[20-21]研究了高頻沖擊軋制對焊接接頭疲勞裂紋擴展的影響。結果表明，變極性等離子弧焊2A12鋁合金的母材和焊縫區表面晶粒細化，納米顯微硬度、彈性模量和最大殘余壓應力均有所提高。近表面最大殘余壓應力的引入使表面實際應力狀況發生明顯變化，增加了裂紋閉合，降低了裂紋尖端的應力強度因子。母材和焊縫區的疲勞裂紋擴展壽命分別增加了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，高頻沖擊技術具有更大的沖擊作用面積，能夠消除焊接構件較大表面區域的殘余應力，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生沖擊波，使表面金屬材料達到壓縮和塑性變形的效果，在零件表面產生殘余壓應力，增強了工件對表面疲勞、腐蝕疲勞和應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，研究結果表明：經激光沖擊后，接頭焊縫區原有的馬氏體組織逐漸分解為細小馬氏體組織；沖擊區域內焊縫區、熱影響區以及母材區的殘余拉應力都變為壓應力，焊縫中心區域最大平均殘余壓應力可達-395 MPa；同時，激光沖擊使接頭各區域的硬度值有不同程度的提高，熱影響區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)和激光沖擊強化(LSP)兩種激光強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，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，還有氣動沖擊、水壓沖擊、爆炸沖擊等方法可以對材料表面進行強化處理，提高焊接接頭材料的力學性能[25]。祝陳等[26]研究了氣動沖擊技術對鋼橋面板焊接結構殘余應力場的影響，研究結果表明：氣動沖擊可以將焊縫處的殘余拉應力轉為殘余壓應力，形成半橢球形的壓應力區，沖擊速度和沖擊頭尺寸對橫向應力的影響較大，沖擊速度及沖擊頭尺寸的增大，能提高壓應力值大小及壓應力區的范圍。Srivastava等[27]研究了脈沖水流沖擊304不銹鋼近表面殘余應力分布，發現水流沖擊也能很好地在焊件中植入壓應力。

2 結論與展望

目前的研究結果表明，表面強化技術對焊接接頭的微觀組織和力學性能將會產生顯著影響，但是也存在較多的不足之處，今后可以從以下方面加強研究：

(1)復合表面強化技術。復合表面強化技術是將物理性質和能量傳輸機制不同的兩種及以上的表面強化技術組合在一起，對焊接接頭進行處理，既可以充分發揮各自技術的優勢，又可以彌補單種強化技術的不足，集成一種全新高效的表面強化技術處理焊接接頭，從而顯著提高焊接接頭的綜合性能。

(2)結合熱處理技術。采用熱處理-表面強化工藝，進一步提高焊接接頭的綜合性能，目前這方面的研究技術較少。焊后熱處理可以顯著減少或消除焊件結構組織和力學性能的不均勻，對焊接接頭進行適當的時效熱處理可以釋放焊接過程產生的殘余拉應力，同時也可以促進接頭基體中二次析出相的均勻化分布，再經過表面強化處理可以進一步提高焊接接頭的綜合性能。

(3)表面強化技術與有限元數值模擬結合，可更好地對焊接結構進行疲勞設計，在實現焊接結構和產品的輕量化方面具有非常廣闊的潛在應用價值。