1、1超声冲击在耐候钢焊接后处理的运用研究摘要:传统车辆底架焊接构件通常采用耐候钢材,焊接后需进行消除残余应力处理,目前使用的处理设备如退火炉、抛丸机存在占地大、污染重等缺点,对基建及安保要求较高,且不具备局部处理能力。超声冲击应力消除设备具有占地小、无污染、使用灵活等优点,在局部消应力方面具有传统设备无法比拟的优势,本文通过工艺试验研究其在焊接残余应力消除方面的具体效果,为生产实际运用提供依据。 关键词:焊接后处理;超声冲击;残余应力; 中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号: 0 前言 焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷,是由于焊接过程中的受热不均匀导致的应力场的重新分
2、布,残余应力较集中的部位为靠近焊缝附近位置及热影响区。其危害甚大,对焊接结构件抗疲劳、脆断、应力腐蚀破坏以及尺寸稳定性有很大的影响。因此采用适当的方法最大限度地降低或消除焊接残余应力,使其降低到安全的范围类, 是工程界面临的一个重大问题。工厂常常采用热处理退火,抛丸等办法来降低和消除焊接残余应力,但热处理炉占地大,退火能耗消耗高,失效周期较长,有烟气粉尘废渣排放;抛丸亦有设备费用高,生产成本高,工作时间长,抛丸回收和喷丸伤人等缺点。因此引入超声冲击设备,其2具有占地小,不受工作材质、形状、结构、重量的限制,使用起来灵活方便等特点。 超声设备主要利用大功率的能量推动冲击头以每秒 2 万次以上的频
3、率冲击金属物体表面,高频、高效和聚焦下的大能量使金属表面产生较大的压缩塑性变形,同时超声冲击改变了原有的应力场,产生有益的压应力。高能量冲击下金属表面温度急速升高又迅速冷却,使作用区表层金属组织发生变化,冲击部位得到强化。超声冲击降低或消除残余应力在生产实际中有重要价值。因此我们对其在焊接残余应力消除中的具体效果进行了探究。 1 实验 实验采用目前动车组车辆底架常用的 8 毫米厚 SMA490BW 型钢板,各元素含量(wt%):C0.18、Si 0.15-0.65、Mn1.40、S0.035、P0.035、Cu 0.30-0.50、Cr 0.45-0.75、Ni 0.05-0.30,属于低碳低
4、合金钢,焊接方法为 80%Ar+20%CO2 气体保护焊,焊丝为符合 GB/T88101995 标准要求的 CHW-55CNH 型、牌号H08Mn2SiA,接头形式为 V 型对接,焊接参数底层(190-210)A、 (23-25)V,其余(240-280)A、 (25-30)V。将焊接好的板材用角磨机将焊缝余高过高处打磨修整,使焊缝高于母材不超过 3mm。沿焊缝中心将工件分为两部分,一部分作为冲击前原始数据区,另一部分为冲击数据区。 实验采用 HY2050 型毫克能焊接应力消除设备对冲击区焊缝焊趾、热影响区及母材分别进行全覆盖超声冲击处理。设备参数选用:电流 1.8 2.0A, 振动频率 20
5、 kH z,冲击速度 500mm/min。因焊趾部位为应力集3中处,故冲击处理时使用圆头冲击针对焊趾部位进行反复冲击,直到冲出大约 2mm 深的明显的压痕为止,过程持续 5-10 分钟,利用塑性变形产生有益压应力,减小金属冷却结晶过程中的拉应力,改变原有应力场;因焊接过程对母材热影响较小,远离焊缝处换用平板冲击头,对准热影响区及母材区域垂直表面进行冲击,冲击不要求形成明显塑性变形,过程持续 3-5 分钟。 对两个区域距离焊缝中心 0、5mm、10mm、15mm、45mm、50mm、65mm处分别取点,因焊缝单边宽 9mm 左右,可以看出前三点基本位于焊缝及热影响区域,然后采用小孔法进行应力测试
6、,测试标准参照:GB 3395-92 残余应力测试方法钻孔应变释放法。 测试过程: 帖应变片 连线 烘干 测试数据 实验数据: 表一 表一中 x 表示横向应力,y 表示纵向应力,因取点顺序是由焊缝中心向母材逐渐远离,看出超声冲击前焊缝中心处的横向应力值 x 最大,达到了 448Mpa,纵向应力 y 也达到了 201Mpa,由于焊缝宽度为18mm 左右,可知焊缝区到热影响区的横向应力值 x 都在 200Mpa 以上,4呈现出一个较高的应力水平,而距离焊缝较远的母材区域着出现了100Mpa 上下的压应力,主要因为焊接前的板材表面已经预先进过了抛丸处理,所以才呈现出压应力。超声冲击前从焊缝区域到母材
7、的残余应力整体趋势是下降的。 2 分析 表一中 x 表示超声冲击处理前的横向应力,x1 表示超声冲击处理后的横向应力,y 表示超声冲击处理前的纵向应力,y1 表示超声冲击处理后的纵向应力。 由图知,经过超声冲击处理后,焊缝,焊趾,近焊缝区(点1、2、3)的残余应力有较为明显的下降,横向残余应力平均应力消除率为 59%,纵向残余应力平均应力消除率为 61%。分析是因为在圆头冲击针作用下,该区域产生明显塑性变形,变形产生的压应力很大程度上消除了焊缝冷却过程拉应力,同时塑性变形破坏原有应力场,使得焊缝冷却后不均匀应力场匀化,有效改善内部组织及焊缝性能。 由于焊接对母材尤其是里焊缝较远的母材区域影响较
8、小,故采用平板冲击头,冲击未产生明显塑性变形,但在高频振动影响下工件发生一定程度共振时效,通过共振方式将冲击能量传递到工件的所有部位,使工件内部发生微观的塑性变形,歪曲的晶格回复平衡,位错滑移钉扎,从而使母材区也有不同程度的应力减小,所以板材的安全性能不会受到影响。 由于实验采用盲孔法测试,为保证每个测试点相隔一定的距离,故焊缝处测试点数量相对不足,但可以看到冲击对焊缝焊接残余应力消除5是有明显效果的。 3 结论 通过以上实验及分析,超声冲击能使焊缝及其热影响区残余应力明显下降,起到提高焊缝力学性能、疲劳强度等目的;冲击改善焊趾的几何形状的能力,消除焊趾部位表层微小裂纹和熔渣缺陷,抑制裂纹提前萌生;同时针对其占地下、使用灵活的特点,能填补退火、抛丸设备在局部处理方面的空白,故在车辆实际生产中可将其定位于局部焊接、焊修后的残余应力去除。 参考文献: 1 D.拉达伊,熊第京等译.焊接热效应温度场残余应力变形M.北京:机械工业出版社,1997 2 李荣峰等,小孔法测量 Cr-Ni 奥氏体不锈钢焊接残余应力的适用性研究J.钢铁研究.1995 年 05 期 3 冯忠信,加载频率对材料缺口塑性区及残余应力影响的研究J.西安交通大学学报.1997 年 02 期