組織結構對低碳鋼焊接構件振動時效消除應力效果的影響

李春國，黃江中，楊尚玉，張柏青，邵文京，秦玉良，趙純聰

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300460)

0 前言

焊接過程采用的是非穩態熱源，焊接結束后構件內部會殘留分布不均勻的焊接殘余應力，焊接殘余應力的大小和分布隨焊件結構形式和焊接參數的不同而不同。在使用過程中，焊接構件內部的焊接殘余應力會帶來諸多的隱患，如當試件在設計載荷下使用時，應力集中部位發生局部破壞造成整體構件的失效。與傳統的熱時效和超聲沖擊方法不同，振動時效技術是通過引起構件的共振達到調整構件內部殘余應力的技術。熱時效無法應用于對溫度敏感的材料，而超聲沖擊是一項表面強化工藝，它只能消除表面2 mm之內的拉應力，預制壓應力，無法對整體構件消除焊接殘余應力。振動時效以其適用性強、耗能少、設備便攜、操作簡單靈活等一系列的優點在消除焊接殘余應力的領域得到廣泛的應用。

從19世紀20年代這項技術被發明至今，已有大量的研究人員對振動時效的各個方面進行了系統的研究，這些工作主要集中在振動時效的機理［1－4］、時效效果的評定方法［5－7］以及振動時效的應用［8－10］三個方面。但是對時效參數和材料參數對時效效果的影響方面研究非常少。振動時效的機理的闡述主要有兩種:一種為振動時效消除殘余應力的效果源于振動過程中材料內部的位錯發生增殖和相互纏結［1］;另一種為振動時效過程中，外加載荷造成的應力與構件內的殘余應力相互疊加后超過屈服極限，在微區產生塑性變形，通過釋放應力集中處的殘余應力達到調整整體構件的殘余應力［3］。無論基于何種機理，振動時效的效果都與材料本身的組織有關。在此對組織結構相似的兩種鋼材進行振動時效處理并考察振動時效的效果，討論材料的組織對振動時效效果的影響規律。

1 試驗方法

為了分析材料性能對振動時效消除焊接殘余應力效果的影響，選擇兩種組織結構相似的結構鋼——Q235與D36鋼的焊件作為振動時效處理的對象，振動時效處理后得到兩者振動時效效果的差別。然后討論材料性能對振動時效效果的影響。為了保證兩種材料試件試驗結果的可比性，在實驗過程中令試件的尺寸相同，振動時效處理時參數相同。

1.1 試驗材料

試驗所用材料為Q235和D36結構鋼。Q235結構鋼的具體化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。試件加工成尺寸為200 mm×1 000 mm的試板，開60°坡口，留3 mm鈍邊。將兩塊試件焊接成一塊400 mm×1 000 mm的長條形試件。焊接時采用焊條電弧焊，J422焊條。焊接時包括打底焊共四層，電流150～180 A，電壓25 V，封底焊時焊接速度為300 mm/min，其他焊道240 mm/min。

圖1 試件示意

表1 Q235鋼的化學成分 %

表2 Q235鋼的主要力學性能

D36結構鋼為低合金中高強度鋼，其具體化學成分見表3。試件形式和具體尺寸與Q235試件相同，試板尺寸200 mm×1 000 mm，開60°坡口，留3 mm鈍邊，焊接方法與Q235相同。

表3 D36鋼的化學成分 %

表4 D36鋼的主要力學性能

1.2 試驗設備和方法

振動時效處理所用設備為海倫博大生產的VSR－A型振動時效設備，振動時效處理時激振器直接裝夾在試件端部，試件的四個角用橡膠墊支撐，壓電傳感器置于試件長度方向中間1/3區域內的焊趾處。振動時效的參數包括振動頻率、振動幅度和振動時間。振動時效前通過掃頻獲得構件的頻率振幅曲線，選取頻率振幅曲線上最高峰對應的頻率作為振動時效處理的頻率。調整激振器的檔位來實現對激振力的調整，觀察試件的振動狀態，以能夠實現試件穩定振動的同時焊縫處的振幅較大為準確定激振器的檔位。為了保證兩組試驗的試驗條件相同，在對Q235試件和D36試件進行振動時效的兩組試驗中，振動頻率選擇一階共振頻率，激振器的檔位為半檔，振動時間依據振動時效標準確定為30 min。

采用盲孔法測量振動時效前后殘余應力，測量殘余應力的設備為CM－1J－20型數字靜態應變儀，鉆孔直徑1.5 mm，鉆孔深2 mm。由于平板焊接構件在試件中間1/3的區域內殘余應力分布穩定，測量時假設在試件中間1/3區域內距焊縫距離相同的位置殘余應力相同。測量殘余應力時從焊趾開始垂直于焊縫方向逐漸遠離焊縫，為了保證相鄰兩個測量點間不相互影響，相鄰兩個測量點的間距大于15 mm。殘余應力測量位置示意如圖2所示。

采用CSS－44300型萬能試驗機進行試件的靜拉伸性能測試，使用GX71倒置式光學金相顯微鏡進行組織觀察。

2 試驗結果和分析

2.1 振動時效及殘余應力測量

Q235試件振動時效前后殘余應力測量結果如表5所示，橫向殘余應力與縱向殘余應力的比較結果如圖3所示。振動時效后，無論是垂直于焊縫還是平行于焊縫的方向，殘余應力都出現了明顯的降低，橫向殘余應力的降低幅度高于縱向殘余應力的降低幅度。測量位置中殘余應力最高的位置為距離焊縫中心18 mm處，其橫向殘余應力降低72.38%，縱向殘余應力降低20.72%。殘余應力降低程度所表現出的規律是:橫向殘余應力降低得較多的位置，縱向殘余應力降低的較少。在距離焊縫中心28 mm處，橫向殘余應力由之前的148 MPa轉變為負值。殘余應力的最大降低量為180.6 MPa，最小降低量為32.3 MPa，殘余應力的降低量遠超過盲孔法測量殘余應力的誤差。表明振動時效會對Q235試件的殘余應力帶來明顯的影響，使其整體降低，局部位置可以實現單方向殘余應力的消除，將殘余拉應力轉變為殘余壓應力。

表5 Q235試件振動時效前后殘余應力比較

圖3 Q235試件件VSR處理前后殘余應力比較

D36試件振動時效前后殘余應力測量結果如表6所示，橫向殘余應力與縱向殘余應力的比較結果如圖4所示。從殘余應力測量結果中可見焊趾處的殘余應力最高，振動時效處理后，焊趾處的橫向殘余應力略有升高，升高幅度為3.85%，縱向殘余應力略有降低，降低幅度為0.2%。殘余應力變化的最高值為40.2 MPa，最小值為0.2 MPa。若考慮到盲孔法測量殘余應力的誤差，可以認為在采用與Q235試件相同處理工藝的試驗條件下，D36試件內的焊接殘余應力幾乎不發生變化。

表6 D36試件振動時效前后殘余應力比較

圖4 D36試件件VSR處理前后殘余應力比較

2.3 Q235與D36焊件的微觀組織

殘余應力的測量位置為焊趾和母材，為了考察組織對振動時效消除焊接殘余應力的效果的影響，對比分析Q235與D36焊接試件在焊趾及母材的微觀組織形貌，如圖5所示。兩種材料都是由鐵素體與珠光體組成，鐵素體全部為粒狀，少部分珠光體為粒狀，大部分的珠光體為帶狀。D36珠光體晶粒的尺寸與鐵素體晶粒的尺寸相當;而Q235母材中珠光體晶粒比鐵素體晶粒尺寸小。兩種材料的晶粒尺寸相比，D36母材的晶粒尺寸更小。

圖5 母材組織對比

焊趾部位通常是殘余應力較高的部位，焊趾部位對應于試件熱影響區中的過熱區部位，其組織如圖6所示。在宏觀金相觀察中，根據顏色和形狀的不同，可觀察到明顯的熔合線。焊縫側為放射狀的柱狀晶，熱影響區靠近焊縫的部位為過熱區粗晶區。Q235的過熱區內為由白色針狀鐵素體形成的魏氏組織和塊狀的鐵素體，晶內由珠光體和少量的粒狀貝氏體組成，晶內可見少量的細針狀鐵素體與小塊的鐵素體，珠光體的含量明顯多于母材中組織中珠光體的含量。D36焊件焊趾部位的組織為過熱區粗晶組織，由粒狀貝氏體和少量的珠光體組成。D36焊件焊趾部位組織晶粒尺寸明顯小于Q235焊件焊趾部位晶粒的 尺寸。

圖6 熱影響區過熱區組織對比

2.4 對比與分析

振動時效降低殘余應力的機理主要有兩種:一種理論認為在振動過程中，外加的動應力與試件內部的殘余應力相迭加超過材料的屈服強度后在應力集中部位發生塑性變形，使殘余應力得到釋放;另一種理論從位錯的角度解釋，認為振動過程中的微觀塑性變形是位錯運動的結果，因此振動時效的機理為振動會導致材料內部較高殘余應力位置的位錯啟動，在材料內部的位錯的增殖與相互纏結的過程中殘余應力得到釋放。Q235焊件振動時效效果較好，在焊接殘余應力較高部位更容易發生塑性變形，或在該位置位錯更容易發生移動。

Q235與D36結構鋼均屬于碳素結構鋼，其含碳量均低于0.3%，屬于低碳鋼的范疇，兩者的主要成分相似，母材的微觀組織相同，由粒狀鐵素體和帶狀的珠光體組成。熱影響區過熱區的組織相似，主要由貝氏體和珠光體組成，但組織的形狀有明顯差異。兩種焊件母材與焊趾部位組織差異主要表現為兩個方面:

(1)相的比例。Q235焊件熱影響區過熱區和母材區中珠光體的含量高于D36焊件。

(2)晶粒的尺寸與形狀。D36焊件無論是母材還是熱影響區的過熱區晶粒的尺寸都明顯小于Q235。

鐵素體與純鐵的晶格結構相同，抗拉強度和屈服強度較低，具有良好的塑性與韌性;珠光體的塑韌性較好，抗拉強度遠高于鐵素體，鐵素體較珠光體更容易發生塑性變形。Q235焊件高應力區內珠光體含量較高，不易發生塑性變形。按照傳統的振動時效理論，應當較難在振動中釋放應力，但是在本實驗中，Q235焊縫的振動時效效果卻較好。因此可以判斷珠光體與鐵素體的比例不是影響殘余應力消除效果的主要原因。

無論是母材還是焊趾部位，D36的晶粒都明顯小于Q235的晶粒。根據細晶強化理論，當晶粒較細時，較多的晶界不僅會阻礙滑移使屈服強度升高，也會給位錯的啟動和運動增加更多的能量。因此在較細晶粒的D36試件中，位錯更難啟動，位錯運動的阻力也更大，使得振動時效過程中位錯變化較少，因而振動消除殘余應力的效果較差。因此晶粒尺寸的不同是Q235焊件與D36焊件振動時效效果差異的主要原因。

3 結論

(1)在相同的振動時效處理條件下，Q235焊件焊接殘余應力的降低幅度遠大于D36。Q235焊件振動時效后，焊接殘余應力的最大降低量為180.6 MPa，與振動時效前相比，最大變化幅度為122.02%;D36焊件振動時效后，焊接殘余應力的最大降低量為12 MPa，最大變化幅度為24.24%。

(2)Q235與D36焊件焊趾部位組織的主要區別為不同相的比例不同和晶粒尺寸的差異，D36焊件焊趾部位珠光體含量較少，且晶粒較細。

(3)焊縫熱影響區的晶粒尺寸是決定振動消除應力效果的主要因素，而珠光體和鐵素體的比例則不是主要因素。晶粒越小，晶界越多，振動過程中位錯運動的開啟與位錯的運動所需要的能量越大，使振動消除殘余應力產生效果所需的能量越大。晶粒越細小的試件，振動時效越難產生效果。

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