爆炸法消除焊接殘余應力對金屬材料常規力學性能的影響

張 量

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究，江西 南昌 330029）

我國使用消除焊接殘余應力處理方式包括：退火、噴丸、振動等。其中退火效果較好，但其對于能源與成本消耗較高；噴丸處理方式僅處理表層殘余應力，且費用消耗較高；而振動方式處在未全面推廣階段。爆炸法作為蘇聯消除殘余應力方式之一，隨著不斷探索與研究可以得知，該種方式可行性較高，但因我國對這方面研究較少，仍需要針對爆炸法消除焊接殘余應力對金屬材料常規力學性能的影響展開研究，從而確保爆炸法可以順利應用在我國工業發展中。

1 試驗材料及方式

1.1 試驗材料

本次試驗主要是在400×300×10mm低碳鋼板試件上完成。試驗材料表面通過刨床進行加工后，其表面光潔度達到▽5，待針對材料進行加工后，針對其展開退火處理，以此來實現消除加工過程中產生的初應力。焊件主要是在低碳鋼板上展開雙面堆焊而成，焊接電流為700安～750安、電弧電壓為36伏～40伏、焊接速度約410/55mm/秒。此外，本次試驗所用炸藥又被稱作為“橡皮炸藥”，其主要是由黑索金、天然橡膠制作而成，該炸藥質底較為均勻、形狀與橡皮板較為相似。同時其具備質地較為柔軟、易加工、便攜帶、易安放等特點。

1.2 試驗方式

在測量焊接殘余應力時，主要是通過小孔釋放法來實現。在測量焊件殘余應力時，因試驗材料與薄板之間較為接近，因此，認定其應力分布屬于同一平面問題，同時兩個主應力方向屬于已知狀態，由此，就可以計算出縱向與橫向殘余應力[1]。

2 試驗結果及分析

2.1 晶界變化

在金屬材料中一旦出現不同晶粒之間晶界對位錯情況時，這時就會對金屬材料內部結構產生阻礙作用，同時也會不斷增加金屬材料變形時錯位運動阻力，最終增加錯密度，以此來實現強化金屬材料強度。在金屬材料中，材料在正常情況下的變形主要通過位錯的滑移和攀移實現。由于晶粒內部缺陷相對較少，位錯可以相對自由地滑動。當位錯在外力作用下碰到晶界后，由于材料中的大部分晶界都可以看成原子混亂區，在晶界處晶體的平移對稱性和旋轉對稱性被打破，位錯滑動被阻礙，在晶界處形成應力集中。通過晶界阻礙位錯抑制形變，材料的強度得到了提高。另一方面，由于晶界對稱性的缺乏，其本身就是天然的位錯源。因此在外力的進一步作用下，晶界處的位錯塞積會誘發晶界在另一側晶粒誘發位錯源開動新的位錯，從而使得材料繼續發生形變。因此，晶界作為位錯源在一定程度上又可以開動新位錯釋放應力，防止材料由于過高的應力集中形核裂紋，從而提高材料的韌性。

2.2 應變與錯位變化

在金屬晶體中出現位錯情況時，就會促使臨界切應力與理論值之間存在差異，同時也會促使臨界切應力小于理論值。因位錯交互作用與相互纏繞作用可以有效實現增加金屬材料位錯密度，并且也會增加位錯運動難度，最終實現強化金屬材料，使金屬材料力學特點，例如：強度與硬度等不斷增加。因為金屬材料中位錯狀態較為復雜，促使現代構建的位錯模型僅僅能夠顯示出金屬強化中位錯狀態。此外，當針對進行機械加工時，多數工件均需要通過多道工序完成加工，同時也需要借用部分機械加工設備來實現加工，最終使金屬材料成為一個可以使用產品。

2.3 噴丸處理過程

所謂分選主要是將標準件與被檢件相互對比，所以，當試件需要展開分選時，就可以提前準備樣品以免出現相混情況各不相同。在分選過程中方法較多，如：渦流、溫差電等多種強化方法，其中渦流強化法無法輕易對材料展開準確鑒別，例如：在退火鋼這種材料中含有一定量份的碳與硅。但準確量份一定會有所不同，通過渦流強化法能夠輕易強化出碳實際量份，但卻無法強化出硅實際量份，但通過噴丸強化工藝技術就可以輕易強化出來。又如：在針對鋼材料中碳量份完全相同，與非合金碳鋼展開分選過程中，或是針對不脫氧鋼材料與鎮靜鋼展開合金強化過程中，都是噴丸強化工藝技術更加適合，焊接殘余應力消除效果更加有效。

2.4 結果對比分析

在針對金屬材料常規力學性能檢測結果對比后可以發現，普通金屬常規力學性能較小，同時二者之間差異較小，在測量過程中難度較高，例如：銅、鋁等。

表1 不同金屬材料常規力學性能檢測結果

但爆破法可以精準測量出部分常規力學性能較高的金屬材料，例如：鎳、康銅、鎳烙合金、鎳硅合金、碲化鉍等。具體情況如表1所示。

爆破法在應用過程中，可以實現對部分合金金屬材料分選，即為鎳基合金，同時對于半導體材料常規力學性能測量結果，可以有效判斷其導電類型。在針對不同鋁合金板進行對比測量時，其中一塊鋁合金板屬于正常，而另一塊鋁合金板中則出現疲勞裂紋，通過運用爆破法對這兩塊鋁合金板進行測量后，發現正常鋁合金板與疲勞裂紋鋁合金板常規力學性能之間并未出現較大差異，這時測量過程難度就會不斷增加[2]。

3 結語

綜上所述，因多數金屬材料常規力學性能較小，在針對其焊接殘余應力情況進行檢測時，就應運用高于細微級別精度設備與技術，同時也表示其對于應力采集設備要求較高。在針對金屬材料表面溫差進行測量過程中，因測量溫差會導致最終測量常規力學性能結果出現不準確情況。但在對常規力學性能較大（高于10uV/K）金屬與其合金進行爆破法處理時，通過常規力學性能測試方式可以有效實現準確測量，可以有效實現判斷材料準類，最終實現對材料分選。