超聲沖擊技術對U71Mn鋼堆焊表面殘余應力的調控

兗文濤

（中海油能源發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致工件產生焊接殘余應力，而焊接殘余應力的存在會給焊接結構的靜強度、結構剛度、結構脆性、應力腐蝕性能、疲勞性能、尺寸穩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力已成為國內外焊接研究的重要課題。

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

隨著材料科學與焊接技術的發展，學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力的方法。通過機械作用消除殘余應力的方法，由于其易操作、節能、效率高、效果顯著等優點越來越受到青睞。目前超聲沖擊技術消除焊接殘余應力已經被廣泛應用，國內外研究表明，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力，使應力均勻化，還能夠對金屬結構各方面性能有所改善[4-9]。本研究采用超聲沖擊設備對U71Mn 鋼堆焊表面進行超聲沖擊處理，分析超聲沖擊處理工藝對工件表面焊接殘余應力的影響，并應用X射線衍射應力測試儀對其進行評價。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與焊接方法

試驗選用U71Mn鋼，化學成分見表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生異常淬硬馬氏體組織，導致堆焊工件開裂[11-13]。采用合理的預熱和焊后熱處理可以有效延長冷卻時間t8/5，降低焊接熱影響區內的淬硬傾向[14-15]。因此在堆焊試驗過程中采用隨焊動態感應加熱的方法對工件表面縱向焊縫進行預熱和焊后熱處理，以控制淬硬組織及冷裂紋的產生。

表1 U71Mn鋼化學成分 %

表2 焊接工藝參數

1.2 焊接殘余應力測試方法

采用X 射線衍射法測試U71Mn 鋼堆焊表面的焊接殘余應力，測試設備為加拿大Proto 公司生產的IXRD 應力分析儀。為確保測試結果的準確性，在殘余應力測試前先用砂紙對待測表面進行打磨，去除表面氧化皮和焊渣等物質，再選用飽和NaCl 溶液作為拋光電解液對待測表面進行電解拋光以便去除打磨引入的附加應力層，最后用酒精或丙酮對試件拋光表面進行清洗，確保試件表面干燥。X 射線殘余應力測試參數見表3，采用高斯函數擬合定峰方案及最小二乘法橢圓擬合數據處理方案。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射線應力測試參數

殘余應力測試點為焊縫中間區域并垂直于焊縫方向上的6個測量點，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力的消除效果，近焊縫區測試點比較密集，遠離焊縫區測試點比較疏松。每個測點位置均測試橫向殘余應力（垂直于焊縫的方向）和縱向殘余應力（平行于焊縫的方向）。

圖1 殘余應力測試點位置示意圖

1.3 超聲沖擊工藝

試驗采用TDH 超聲沖擊設備對工件堆焊表面進行消應力處理，設備具體參數見表4。采用球冠針頭沖擊鋼針（Φ3 mm、針頭個數為7）對U71Mn 堆焊面分別進行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

在超聲沖擊處理過程中，將超聲沖擊槍對準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行沖擊處理。超聲沖擊處理工藝參數見表5。

表5 超聲沖擊處理工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 超聲沖擊次數對焊接殘余應力的影響

圖3為采用超聲沖擊設備對U71Mn鋼表面進行全覆蓋沖擊前、后各測點的橫向和縱向殘余應力的分布情況。

圖3 全覆蓋沖擊前、后表面殘余應力分布

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

經過全覆蓋超聲沖擊處理后，工件表面的橫向殘余拉應力、縱向殘余拉應力均轉化為有益的壓應力。當全覆蓋沖擊次數為2次時，由于沖擊次數較少，并不能夠達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力值波動較大。隨著沖擊次數的增加，表面沖擊區域的殘余壓應力值分布也趨于均勻。當沖擊次數達到8次時，可以看到橫向殘余壓應力、縱向殘余壓應力分布趨于平緩，壓應力值波動趨于穩定，橫向殘余壓應力值維持在300 MPa左右，縱向殘余壓應力值維持在350 MPa左右。

2.2 超聲沖擊引入壓應力層的作用深度研究

為了進一步研究超聲沖擊處理引入壓應力層的作用深度，本研究采用電解拋光的方法，通過控制電解拋光的時間，對測試點進行局部剝層（利用數顯游標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力分布圖，從圖4可以看出，縱向殘余壓應力層深達到1.2 mm 左右，而橫向殘余壓應力層深達到1.6 mm 左右。縱向殘余應力和橫向殘余應力沿層深分布規律大體一致，基本分為三個階段。第一階段：工件堆焊表面至層深0.2 mm 左右，為壓應力較快下降區。表層壓應力達到360 MPa 左右。隨著層深的增大，壓應力很快下降到160 MPa 左右。第二階段：層深0.2～0.8 mm（橫向殘余應力層深為0.2～1.2 mm）為壓應力維持區，應力值相對穩定，變化不大。縱向殘余壓應力維持在130～160 MPa，橫向殘余應力維持在190～240 MPa。第三階段：壓應力逐步向拉應力轉變區。隨著剝層深度的進一步加大，縱向殘余壓應力和橫向殘余壓應力均呈現下降趨勢，并逐步轉變為拉應力。當層深超過1.2 mm 時，縱向殘余壓應力開始轉變為拉應力；當層深達到1.6 mm 時，橫向殘余壓應力開始轉變為拉應力。

圖4 超聲沖擊引起的殘余應力沿層深分布

綜上所述，采用全覆蓋超聲沖擊工藝處理工件表面，當沖擊次數達到8次時，可以較好地消除表面殘余拉應力，轉變為有益的殘余壓應力，并可以引入一定深度的殘余壓應力層。

3 結 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力，將殘余拉應力轉變成有益的殘余壓應力。隨著沖擊次數的增加，表面焊接殘余壓應力分布趨于平緩穩定。當沖擊次數達到8次時，表面橫向殘余壓應力值維持在300 MPa左右，縱向殘余壓應力值維持在350 MPa左右。

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