激光沖擊對(duì)焊接接頭表面殘余應(yīng)力的影響

焊接殘余應(yīng)力是嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)使用壽命的因素之一。雖然改變焊接接頭表面殘余應(yīng)力的方法有很多種，但是，激光沖擊處理作為一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，能夠改善焊接接頭殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，使焊接接頭表層形成殘余壓應(yīng)力層，提高不銹鋼焊縫的使用壽命，達(dá)到強(qiáng)化不銹鋼焊接接頭的目的。本文對(duì)304不銹鋼焊接接頭進(jìn)行激光沖擊處理，研究了焊接接頭在沖擊前后表面殘余應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果表明：激光沖擊處理前，焊接接頭表面存在拉應(yīng)力，沖擊后沖擊區(qū)表層出現(xiàn)很高的殘余壓應(yīng)力，其影響范圍已超過沖擊區(qū)并延伸到?jīng)_擊區(qū)外圍。焊接是一種運(yùn)用(多數(shù)情況下為局部)加熱或加壓手段、添加或不添加填充材料將構(gòu)件不可拆卸地連接在一起或在基體表面堆敷覆蓋層的加工工藝。由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入，在焊接后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力(焊接殘余應(yīng)力)。與載荷應(yīng)力相比，焊接殘余應(yīng)力是發(fā)生在沒有外力情況下的內(nèi)力。焊接殘余應(yīng)力(特別是殘余拉應(yīng)力)會(huì)嚴(yán)重影響制造過程本身和焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。當(dāng)焊接接頭存在復(fù)雜的焊接殘余應(yīng)力時(shí)，首先影響到焊接接頭的機(jī)械性能，這是因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)承受載荷的同時(shí)還承受一個(gè)附加應(yīng)力(焊接殘余應(yīng)力)，勢(shì)必降低結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，而且還容易造成焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷現(xiàn)象；當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)，焊接殘余應(yīng)力又促使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，應(yīng)力腐蝕開裂會(huì)導(dǎo)致不銹鋼構(gòu)件在低于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的情況下，發(fā)生沒有明顯宏觀變形的突發(fā)破裂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，危害嚴(yán)重。因此，應(yīng)采取各種有效的措施來改變焊接殘余應(yīng)力的狀態(tài)或者減小焊接殘余應(yīng)力。目前應(yīng)用較多的方法有：機(jī)械拉伸法、爆炸法、整體高溫回火處理、激光沖擊處理等。與其他加工方式相比，激光沖擊處理能自由控制激光束的參數(shù)以及沖擊方式，而且不損壞試樣表面，具有高效、靈活、絕熱、非接觸等特點(diǎn)。激光沖擊處理是用高強(qiáng)度的激光脈沖輻照涂有吸收層的金屬板材，由于能量沉積時(shí)間很短，吸收層瞬間被汽化，蒸汽溫度迅速地升至幾萬度，隨著蒸汽不斷吸收入射來的激光束，蒸汽電子從原子中電離出來，產(chǎn)生一個(gè)快速膨脹的等離子體流，等離子體繼續(xù)強(qiáng)烈的吸收激光能量直到沉積時(shí)間的結(jié)束；在金屬靶材和透明約束層之間被禁閉的高溫等離子體發(fā)生流體動(dòng)力膨脹，產(chǎn)生一個(gè)高幅值、短脈寬的壓力脈沖，壓力脈沖以沖擊波的形式傳入金屬材料中并使材料發(fā)生塑性變形，從而使變形區(qū)域表面硬度得到提高，并產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力。本文首先對(duì)304不銹鋼進(jìn)行氬弧焊焊接試驗(yàn)，測(cè)量焊接接頭表面殘余應(yīng)力；然后進(jìn)行激光沖擊，再測(cè)量沖擊后焊接接頭表面殘余應(yīng)力，分析沖擊前后焊接接頭表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。試驗(yàn)過程試樣制備試驗(yàn)過程中選奧氏體304不銹鋼，板厚為2mm，原始化學(xué)成分及機(jī)械性能如表1所示。試樣焊接時(shí)采用鎢極氬弧焊在不銹鋼平板上焊接。焊接前先用砂紙將焊接表面打磨平整，然后用丙酮清理打磨表面，以去除氧化膜、污垢、毛刺等雜物，焊接時(shí)用夾具對(duì)工件進(jìn)行固定，以防產(chǎn)生較大焊接變形。焊炬固定在自動(dòng)行走的小車上，以保證弧長的穩(wěn)定和焊接速度的不變，在同一焊接規(guī)范下焊接多條焊縫，分別用于測(cè)試殘余應(yīng)力對(duì)照試驗(yàn)。焊接工藝參數(shù)如表2所示。激光沖擊試驗(yàn)激光沖擊處理試驗(yàn)是在釹玻璃激光系統(tǒng)上進(jìn)行的，以φ8mm×200mm的磷酸鹽釹玻璃作振蕩級(jí)激光棒，一級(jí)磷酸鹽激光預(yù)放大級(jí)(φ14mm×350mm)，四級(jí)磷酸鹽激光主放大級(jí)(分為兩路，每路由φ16mm×350mm和φ20mm×350mm釹玻璃棒兩根串聯(lián))。輸出激光的波長為1.054μm，脈寬20.50ns，脈沖能量10～50J，光斑直徑為3～7mm。為增強(qiáng)對(duì)激光能量的吸收，同時(shí)保護(hù)試樣表面不被高能激光灼傷，采用鋁箔膠帶作為能量吸收涂層；為增強(qiáng)激光在材料表面產(chǎn)生的沖擊波壓力，延長沖擊波的作用時(shí)間，采用對(duì)激光透明的水作約束層，控制自來水水流量，讓其沖流到試樣表面，水流速度參數(shù)已預(yù)先優(yōu)化過，最后進(jìn)行沖擊處理。試驗(yàn)后揭去鋁箔膠帶，將表面雜物用丙酮洗去并用酒精擦洗干凈。殘余應(yīng)力測(cè)試本試驗(yàn)采用盲孔法測(cè)量焊接接頭激光沖擊前后的表面殘余應(yīng)力。試件表面常常有銹斑、氧化層、油污，這對(duì)應(yīng)變片的粘貼非常不利。為了保證應(yīng)變片的粘結(jié)質(zhì)量，必須對(duì)被測(cè)區(qū)域也就是電阻應(yīng)變片粘貼的表面進(jìn)行認(rèn)真清理。但在打磨時(shí)需要注意打磨的力度，不能破壞原有殘余應(yīng)力場(chǎng)。另外為了更好的保證測(cè)量殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性，用乙醇清潔劑清潔測(cè)試點(diǎn)，去除表面灰塵和雜質(zhì)等。根據(jù)焊縫的方向和應(yīng)變片45°方向確定應(yīng)變片粘貼方向。打孔后測(cè)量焊接接頭表面殘余應(yīng)力。表1304不銹鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能表2不銹鋼鎢極氬弧焊焊接規(guī)范表3焊接試樣表面橫向殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表4焊接試樣表面縱向殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果討論在垂直焊縫方向分別取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，間距為lmm。對(duì)于單點(diǎn)激光沖擊試樣，以沖擊區(qū)焊縫中心為起點(diǎn)，垂直選取6個(gè)測(cè)試點(diǎn)。不銹鋼焊縫激光沖擊前后橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分別見表3和表4。圖1焊接試樣表面橫向殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果圖2焊接試樣表面縱向殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果從應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出，鎢極氬弧焊焊接后焊縫周圍出現(xiàn)殘余拉伸應(yīng)力，而熱影響區(qū)周圍出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，這主要是因?yàn)榧訜徇^程中，焊接區(qū)受熱膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，使焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮；冷卻過程中焊接區(qū)的冷卻收縮受到周圍區(qū)域的約束。焊接后得到的橫向和縱向最大殘余拉應(yīng)力分別為262MPa和120MPa。激光沖擊后，不銹鋼焊件表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，表明激光沖擊處理可以改善不銹鋼焊縫的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，能夠使處理區(qū)形成一定的殘余壓應(yīng)力層，同時(shí)對(duì)周圍區(qū)域也有一定的強(qiáng)化作用。還可以看出，在激光沖擊區(qū)域內(nèi)，殘余壓應(yīng)力存在中心削弱效應(yīng)，既“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵跊_擊區(qū)域邊緣會(huì)同時(shí)產(chǎn)生諸如Rayleigh波和切變應(yīng)力波等表面波，這些表面波向激光沖擊區(qū)域的中心匯聚，從而引起這一局部區(qū)域的反向塑性應(yīng)變，降低了此處的表面殘余壓應(yīng)力水平。另外，如圖1、圖2所示，位于沖擊區(qū)外圍的2#、3#點(diǎn)的殘余壓應(yīng)力水平明顯高于4#、5#點(diǎn)處的殘余壓應(yīng)力水平，這說明激光沖擊處理形成的殘余壓應(yīng)力的影響范圍不僅在沖擊區(qū)以內(nèi)，且可以延伸到?jīng)_擊區(qū)外圍。涂層的作用選擇合適的涂層的原則是：⑴涂層對(duì)激光的吸收率較高，易于提高沖擊波峰值壓力。金屬表面對(duì)光的反射率很高，室溫下304不銹鋼表面對(duì)激光反射率高達(dá)90%，縱然在金屬表面存在氧化膜等其他因素增加了對(duì)激光的吸收，那樣也只能對(duì)光的吸收有很少的提高。金屬表面預(yù)先涂覆一層對(duì)激光吸收率極高的涂層，增加對(duì)激光的吸收。有機(jī)黑漆涂層的加入提高了能量的耦合效率，壓力作用提高，表面殘余壓應(yīng)力可以大大提高。⑵具有低的熱導(dǎo)率和低汽化熱，這樣可以增加自身吸熱并減少對(duì)熱靶材的熱傳導(dǎo)，提高應(yīng)力波的幅值和脈寬，減少靶材的熱損。結(jié)束語通過盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，激