基于試驗標定了不銹鋼材料小孔法應力測試的應變釋放系數,測試了6 mm304L不銹鋼退火態試板超聲沖擊前后的應力以及氬弧焊對接接頭超聲沖擊處理前后的應力,研究了超聲沖擊處理對不銹鋼橫向和縱向焊接殘余應力的影響效果,分析了超聲沖擊應力和焊接殘余應力的疊加效果。結果表明,超聲沖擊無應力304L試板后在其表面形成幅值達250 MPa分布均勻的壓縮應力;焊接接頭沖擊區域由殘余拉應力變為殘余壓應力,焊趾的應力集中現象消除;超聲沖擊后的應力狀態與初始應力分布相關,且焊接接頭超聲沖擊后應力不是焊接殘余應力跟超聲沖擊應力線性疊加。

焊接過程由于高度集中的瞬時熱輸入,不均勻的快速加熱和冷卻使得焊縫及其附近金屬產生非均勻的膨脹和收縮,從而引起焊接應力和各類焊接變形。焊接接頭內部殘余應力的存在和外部介質、各種載荷的綜合作用會降低焊接結構的承載能力、疲勞強度并導致應力腐蝕開裂等等。因而減少和控制焊接殘余應力是保證焊接結構服役安全性的關鍵環節。

研究人員提出了諸多行之有效地調控焊接殘余應力的方法,如焊后熱處理、振動時效和各種表面處理方法。其中,超聲沖擊處理(UltrasonicImpactTreatment,UIT)利用超聲波振動驅動沖擊針高速撞擊工件表面,使工件表面產生塑性變形和可能的殘余壓應力,是一種能顯著提高結構疲勞性能的表面強化技術。該技術用于調控焊接殘余應力的能力近年來逐漸受到關注。目前超聲沖擊處理技術已經應用于船舶、海洋平臺、橋梁和汽車等重要領域。

但是超聲沖擊處理的應用和研究大多集中于碳鋼、鋁合金和鈦合金材料的焊接結構。最近幾年,由于不銹鋼焊接在核電、化工等重要行業中的應用廣泛,超聲沖擊處理對不銹鋼焊接結構殘余應力、疲勞性能、抗腐蝕能力的影響受到工程人員越來越多的重視。不銹鋼材料的加工硬化現象嚴重,焊接及超聲沖擊處理后的應力測試困難。文中先進行試驗獲得304L不銹鋼小孔法應力測試的應力釋放系數,然后基于標定系數測試304L不銹鋼焊接接頭超聲沖擊前后的應力,并和無應力狀態下超聲沖擊處理304L不銹鋼母材的應力狀態比較,研究超聲沖擊對304L不銹鋼焊接殘余應力的影響。

1試驗材料與方法

1.1焊接

母材為304L不銹鋼,尺寸為150mm×300mm×6mm,焊接方法為手工氬弧焊,坡口角度為50°±5°,裝配間隙為2~4mm,熔敷金屬材料為E308L,3道焊接。焊接過程中試板背面采用氬氣保護。焊接工藝參數如表1所示。測試得到母材室溫屈服強度為303 MPa,焊縫金屬室溫屈服強度為460MPa。

1.2應變釋放系數標定

不銹鋼材料加工硬化現象嚴重,采用小孔法測試應力時,鉆孔過程的塑性應變和硬化現象對測試結果也影響較大。因此,采用小孔法測試不銹鋼材料中的應力時不能參考碳鋼材料的應變釋放系數(A、B系數)或者有限元標定的釋放系數,需要對應變釋放系數進行仔細標定。

本文開展不銹鋼材料小孔法應力測試的標定試驗。標定試樣所用材料與焊接試驗材料均為304L不銹鋼,根據CB3395-92標準[16]設計試樣尺寸,如圖1所示,試樣精加工后為保證無應力狀態進行去應力退火處理。

標定應變釋放系數A、B時,一般規定外加應力不超過材料屈服強度σs1/3,這主要是考慮高應力下的應力集中效應,避免孔邊塑變引入的誤差。本文標定試驗所用最大應力為120MPa。粘貼好應變花(5個位置以保證重復性)后,通過拉伸試驗機施加分級加載單向外載荷,記錄應變值;分級加載卸載后,取下試樣鉆孔后再次分級加載,將鉆孔后的應變減掉鉆孔前的應變得到應變量的變化值。

1.3焊接應力測試及接頭超聲沖擊

焊接試驗完成后,采用小孔法測試焊后殘余應力。鉆孔設備為ZDL-Ⅱ型鉆孔儀和CML-1H-16型應變采集儀;應變花型號為BSF120-1.5CA-T,名義電阻120Ω,靈敏系數2.07;鉆孔直徑1.5 mm,鉆孔深度2mm。

焊后應力測試后,對正反兩面的焊縫及部分母材區域進行超聲沖擊處理,沖擊參數為10s/cm 2。所用超聲沖擊機型號為JSKD-D型,超聲頻率20kHz,沖擊頭含4針頭,沖擊針直徑3 mm。

超聲沖擊完成后采用小孔法測試沖擊區域的應力。焊后應力測試區域和超聲沖擊區域如圖3所示。

1.4退火試樣超聲沖擊及應力測試

為了研究超聲沖擊本身造成的應力狀態,測試了退火處理試板超聲沖擊處理前后的應力。測試材料為304L母材,在900℃下保溫2h進行去應力退火處理。無應力試樣的超聲沖擊參數與焊接試板沖擊參數相同,超聲沖擊處理前后采用小孔法測試應力。

2試驗結果及討論

2.1標定應變釋放系數

標定試驗中的應變值包括了鉆削應變、孔邊塑性變形等因素,因此標定的應變釋放系數包含了這些誤差因素??紤]到進行殘余應力測量繁瑣的塑性區修正從工程使用意義上講并不是必要的,因此本文標定的應變釋放系數具有工程意義。

2.2無應力試樣超聲沖擊處理前后應力值

采用標定的應變釋放系數測試得到退火態304L試板超聲沖擊前后的應力如圖5所示??煽闯?,經退火處理后各測試點各方向的殘余應力幾乎一致,平均殘余應力為3.5 MPa,考慮到小孔法的測試誤差,退火處理后試板內幾乎沒有應力。經超聲沖擊沖擊之后,各測試點各方向應力均為幅值大于200MPa的壓應力,峰值壓應力達-326MPa,平均壓應力達到-262MPa??梢哉J為無應力狀態不銹鋼試板經超聲沖擊后,各方向應力都為250MPa左右的壓應力,且分布均勻。測試的應力結果超過了304L不銹鋼母材的室溫屈服強度,這可能是鉆孔加工硬化造成的。文獻研究認為小孔法適用于不銹鋼材料高殘余應力區的測量。

2.3焊接試板超聲沖擊前后應力

304L不銹鋼對接焊試板超聲沖擊處理前后上下表面的應力測試結果如圖6、7所示。σx和σy分別表示縱向(沿焊縫方向)和橫向(垂直焊縫方向)殘余應力。

上表面焊接區及鄰近區域的縱向應力和橫向應力都為拉伸應力,縱向拉應力峰值出現在焊趾附近,達400MPa。遠離焊縫中心40mm區域的上表面橫向殘余應力呈現壓縮應力,但縱向應力仍然為較小的拉伸應力。下表面縱向拉伸應力峰值也出現在焊趾附近,但峰值拉應力比焊縫上表面低100MPa左右,大部分測試點的橫向殘余應力表現為殘余壓應力,且幅值較小。文中的焊接過程采用背面氬氣保護,相當于對保護區域具有熱沉作用,使金屬升溫過程中壓縮塑性應變減小,冷卻過程中的拉伸塑性應變增大,造成殘余應力降低[18]。圖6、7中陰影范圍表示沖擊區域??煽闯?,經超聲沖擊處理后,上表面沖擊區域橫向和縱向應力都轉化為-200~-500MPa的壓縮應力,下表面沖擊區域橫向和縱向應力都為-100~-400 MPa的壓縮應力,說明超聲沖擊處理對橫向和縱向拉應力具有等效作用。從圖6、7中也可以看出,超聲沖擊后,焊趾附近的應力集中現象也得到了消除。

比較圖5、圖6和圖7可以看出,退火態試樣(初始應力基本為0)沖擊后壓應力分布均勻,但焊接態試樣(不均勻初始拉伸應力)沖擊后壓應力分布不均勻,可以認為超聲沖擊壓應力分布與初始應力狀態相關。

將焊接殘余應力與無應力狀態超聲沖擊產生的應力線性疊加,記為σM(縱向應力)和σN(橫向應力)畫在圖6、7中??煽闯?,超聲沖擊焊縫及其附近區域所產生的高壓縮應力并不是焊接殘余應力與超聲沖擊產生應力的簡單線性疊加。

3結論

1)標定獲得304L不銹鋼材料小孔法應力測試的應變釋放系數A=1.29×10-6 MPa-1,B=2.06×10-6MPa-1。采用該系數基于小孔法測試不銹鋼焊接應力和超聲沖擊處理后的應力。

2)無應力狀態不銹鋼試板經超聲沖擊后,表面獲得分布均勻的幅值約為250MPa左右的壓應力。

3304L不銹鋼氬弧焊對接接頭上下面經超聲沖擊處理后,焊趾附近的應力集中現象也得到消除;表面沖擊區域的橫向和縱向應力拉應力都轉化為-100~-500MPa的壓縮應力,超聲沖擊處理對橫向和縱向拉應力具有等效作用。

4)超聲沖擊處理后的壓應力分布與初始應力狀態相關。超聲沖擊焊縫及其附近區域所產生的高壓縮應力并不是焊接殘余應力與超聲沖擊應力的簡單線性疊加。