深冷處理改善金屬焊接接頭力學性能研究現狀

景轉珍 劉翠榮 吳志生 賈月靜

(太原科技大學，山西030024)

深冷處理又稱超低溫處理，是指以液氮為制冷劑，在-130℃以下對材料進行處理而達到給材料改性的一種新方法，它是常規冷處理的一種延伸。深冷處理于1939年由蘇聯科學家提出，20世紀60年代后期，美國學者發現深冷處理工藝在工具材料及其它工業領域中具有重大的應用價值。經深冷處理的模具鋼與未經深冷處理的模具鋼相比，雖然硬度增加有限，但工件的抗磨損能力卻顯著提高，耐磨性比原來提高了2.0～6.6 倍，且經-190℃深冷處理的模具鋼工件的耐磨性是經-84℃ 冷處理的2.6倍。20世紀70年代，隨著低溫絕熱技術的發展和液氮的廣泛應用以及發現了越來越多的關于深冷處理對刀具和其它零部件等帶來的益處，全世界對深冷處理技術的研究和應用更加深入。目前，深冷處理不僅用于高速鋼、軸承鋼、工模具鋼的處理，以提高材料的耐磨性和韌性[1～3]；同時深冷處理還用于對鋁合金、銅合金、硬質合金、塑料和玻璃等材料進行改性，以改善材料的均勻性和提高尺寸穩定性，減少變形和提高其使用壽命等[4～6]。表1、2為部分常用模具材料、高速鋼經深冷處理后耐磨性變化和性能變化實例[7～8]?？梢钥闯?，深冷處理對于不同材料的零部件和工具產生了不同的效果。零部件和工具的使用壽命顯著提高。

表1 模具深冷處理前后的壽命變化Table 1 The lifetime change of moulds before and after deep cryogenic treatment

表2 高速鋼刀具深冷前后的對比情況Table 2 The lifetime change of high speed steel cutter before and after deep cryogenic treatment

1 深冷處理工藝

深冷處理一般采用液氮作為制冷劑，它不僅制冷溫度低(可達-196℃)，而且經濟方便，對環境無污染。以液氮為制冷劑進行深冷處理可分為兩種方式。一種是液體法，即液氮浸泡式制冷。它是將工件直接放入裝有液氮的容器中，使工件驟冷至液氮溫度，并在此溫度下保溫一定時間，最后回復至室溫完成深冷處理。采用液氮直接深冷的處理工藝，由于液氮直接與被處理工件接觸，降溫速率很快，會導致熱應力過大，產生熱沖擊作用，容易對工件材料造成組織損害，甚至對某些材料產生低溫快冷脆斷現象，而且工件在降溫過程中降溫速率難以控制，影響工藝的可控性。另一種方法是氣體法，即利用液氮的汽化潛熱或低溫氮氣制冷。氮氣經噴管噴出后在深冷箱中汽化，利用汽化潛熱及低溫氮氣吸熱作用使工件降溫。通過控制液氮的輸入量來控制降溫速率，可實現對深冷處理溫度的調整，精確控制，且無熱沖擊作用，在研究中被廣泛采用。

目前， 國內外對黑色金屬的深冷處理工藝一般采用兩種方法。一種是深冷-急熱法，即深冷后快速升溫的處理工藝；另一種為冷-熱循環處理法。兩種方法均可以降低材料的內應力，提高尺寸穩定性，減少加工變形，提高強度和韌性，改善力學性能。但兩種方法相比較而言，后者較前者的處理效果好一些。其中，深冷-急熱法降低殘余應力的主要原因是在深冷處理過程中殘余應力的相互抵消。而材料原有的殘余應力和在深冷處理過程中產生的應力一般不會相等，因此深冷-急熱法處理效果相對較差，而且在深冷-急熱處理過程中的急速加熱將產生較大的應力，可能會使材料的局部組織受損，導致工件的變形和撓曲。冷-熱循環法降低應力的主要原因是材料發生塑性變形釋放了一部分彈性應變。每次冷-熱循環均會產生變形從而使材料原有的殘余應力降低，經多次冷-熱循環處理，殘余應力消除比較徹底，材料力學性能可得到較大改善。

深冷處理的主要優點是可以增強材料的抗磨性、強度、韌性和抗沖擊性，提高材料的抗腐蝕性和抗疲勞強度；經過一次深冷處理可以保證被處理材料始終具有被提高的力學性能；不引起外形尺寸變形；可以消除內應力；提高材料穩定性；處理成本低廉，可以取得與其他表面處理相同的結果(如鍍鈦、鉻、泰弗龍)；可以產生更加緊密的分子結構，從而在較大的接觸面上降低摩擦力、發熱和磨損。

2 金屬焊接接頭的性能

焊接是一種重要的材料加工方法，焊接結構不受外形尺寸限制，可以方便地拼成尺寸很大的工程結構。接頭工作效能較高，具有設計簡單、制作周期短、經濟效益好等一系列優點[9～11]，已經被廣泛地應用于化工、能源、橋梁、造船、動力及航空等工業生產中。然而由于實際焊接工藝的特殊性和焊接區冶金反應的復雜性，焊接區易于產生微裂紋、微氣孔、偏析、非金屬夾雜等焊接缺陷。焊接加工的特點為加熱溫度高，加熱速度快，高溫停留時間短，自然條件下冷卻，冷卻速度也非常快，因此，凡是與擴散有關的過程都很難充分進行。焊接加熱的另一特點是溫度場分布極不均勻，緊靠焊縫的高溫區內接近于熔點，遠離焊縫的低溫區內接近于室溫。而且，峰值溫度越高的部位，加熱速度愈快，冷卻速度愈大。因此焊接過程中，在形成焊縫的同時不可避免的使其附近的母材經受了一次特殊的熱處理，形成了一個組織和性能極不均勻的焊接熱影響區，使一些部位的組織和性能變的很壞，從而就決定了焊接接頭的組織與性能的不均勻性。例如熔合區中存在重結晶以及晶粒的長大，化學成分與組織極不均勻，冷卻后的組織為過熱組織，使該區塑性和韌性下降，性能惡化，成為焊接接頭中的薄弱地帶。此外焊接接頭還存在應力集中、殘余應力，同時由于焊縫區的最終組織為鑄態組織，易形成氣孔、縮松等焊接缺陷，致使焊接接頭強度大大降低，影響了結構的完整性，容易引起結構失效，常常造成巨大的經濟損失。例如，焊接接頭疲勞強度一般低于母材，止裂性能差，裂紋擴展很容易穿過焊縫，從而導致災難性的后果。另據資料統計，金屬結構由于疲勞而失效約占80%～90%，其中約70%～80%是由焊接件的疲勞失效造成的[12]。表3為焊接接頭的力學性能測試實例。

表3 焊接接頭的力學性能測試實例Table 3 The testing example of mechanical property of welded joint

3 深冷處理改善焊接接頭性能的研究現狀

目前，深冷處理作為最新的材料強韌化處理工藝之一，隨著對它的研究日益成熟，應用也日益廣泛。許多學者依據深冷處理對金屬作用機理的研究，并針對焊接構件中普遍存在的焊接接頭軟化問題，開始研究采用深冷處理技術來改善焊接接頭的力學性能。

宋時蘭等[13]對圓環鏈進行連續閃光對焊焊接，焊后采用了兩種熱處理工藝來進行比較，一種是常規熱處理工藝，一種是深冷處理工藝(即相同的常規熱處理后進行了深冷處理)。隨后對焊接接頭進行了沖擊試驗，并分別用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察顯微組織及微觀斷口形貌。試驗結果表明經深冷處理后，焊縫沖擊韌性比常規熱處理工藝提高28.39%。深冷處理不僅使焊縫沖擊韌性提高，而且使焊縫與母材的差別減小。通過對微觀組織及斷口形貌觀察與分析，表明深冷處理可使焊縫的組織細化，使焊縫區的綜合性能提高，從而使圓環鏈的壽命大大提高。

吳志生等[14]對5A06鋁合金MIG焊焊接接頭做了深冷處理試驗，之后進行了拉伸試驗和金相組織觀察。研究發現，深冷處理后，5A06鋁合金焊接接頭抗拉強度提高，其中深冷4 h抗拉強度提高幅度最高。與未深冷處理的焊接接頭相比，抗拉強度提高了15.25%。從微觀組織來看，深冷處理后焊縫區晶粒得到細化，第二相在基體中彌散析出，強韌性提高，接頭的力學性能得到改善。

吳劍謙等[15]對400 MPa超細晶粒鋼手工電弧焊焊接接頭進行了深冷處理試驗，之后進行了焊接接頭性能檢測。結果表明，焊接接頭強度和韌性均有所提高，但效果不明顯。究其原因為試驗用材料為400 MPa超級鋼，它是在Q235鋼基礎上通過控制軋制工藝使其晶粒極度細化而獲得的，材料中碳含量及合金含量都很少，原始組織主要為鐵素體和珠光體，深冷處理過程中不會發生明顯的組織轉變和超微細碳化物的析出，因此深冷處理過程不會造成接頭性能的明顯提高。

趙洪運等[16]對400 MPa超級鋼等離子弧焊焊接接頭進行了深冷處理試驗。試驗結果表明，深冷處理后組織形態沒有明顯變化，焊接接頭經深冷處理后硬度有一定的增加，但不是很明顯。這是因為400 MPa超級鋼碳含量和合金含量低，殘余奧氏體量小，故深冷處理硬化效果不明顯。強度有一定程度提高，但提高幅度不大，韌性有一定程度提高。深冷處理可以改善焊接接頭綜合性能。

4 結語

目前，對焊接接頭進行深冷處理的研究還處于初級階段，但現有的研究結果均表明，深冷處理可以改善焊接接頭的力學性能，是改善焊接件使用性能和使用壽命的一種重要措施。焊后深冷處理不僅可以消除或降低結構的焊接殘余應力，穩定結構的尺寸，而且能改善焊接接頭的金相組織，提高焊接接頭的各項性能。因此，深入研究深冷處理改善金屬構件焊接接頭力學性能的微觀機理及進一步確定合理的焊接接頭深冷處理工藝是我們一個重要的研究方向，并具有很好的應用前景和發展空間。

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