復雜結構焊接殘余應力超聲沖擊處理調控

鄒家生，沈嘉斌，劉 川

(江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

由于焊接過程的局部受熱不均勻、加熱冷卻速度快特點，焊接后會在焊縫及其附近區域產生殘余應力[1]。焊接殘余應力是形成各種焊接缺陷的重要因素，也是造成焊接熱應變脆化的根源[2]。眾多研究表明，焊接殘余應力是加速焊接結構應力腐蝕和疲勞破壞的重要原因，也是影響焊接結構蠕變性能的重要因素[3]，并影響裂紋尖端張開位移(CTOD)設計曲線[4]。對管道進行晶間應力腐蝕裂紋分析必須計入焊接殘余應力的影響[5]。

以上分析表明，焊接對焊接結構的服役安全性產生嚴重影響，且受眾多因素影響，分布復雜。因此，研究焊接殘余應力的形成機理、特點與影響，并采取合適的調控措施，對于提高焊接結構的制造質量和服役性能具有非常重要的意義。

傳統的應力變形調控方法如熱處理、噴丸、熔修、振動時效和錘擊等工藝已經在焊接工程中廣泛使用且效果明顯[6]，但對于船舶、海洋平臺之類具有大量強拘束短焊縫的大厚度高強度鋼大型焊接結構，以上方法實施起來具有明顯的局限性。如：整體熱處理和振動時效方法需要更大的加熱和振動設備，處理周期長；局部加熱、噴丸、碾壓和熔修法也由于現場施工和露天作業適應性差而受到限制；錘擊方法存在勞動強度高、效率低、效果不明顯等問題[7]。大型復雜焊接結構需要適合現場作業、狹小空間可操作、效果明顯的應力變形調控方法。

超聲沖擊處理(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)是通過超聲發生器產生的超聲波驅動沖擊針高速撞擊工件表面，使表面產生塑性變形并在表面引入壓應力[8]。超聲沖擊處理因其設備簡單、操作方便和現場適應性強等優點被廣泛應用于海洋工程、核電、橋梁等行業[9-10]。現有研究表明，超聲沖擊處理不僅可以改變焊縫區域殘余應力分布[11-12]、改善焊趾部位形貌減小應力集中[13]，還可以細化焊縫組織[14-16]，從而提高焊接接頭的疲勞強度。GAO等[17]認為，超聲沖擊處理兼顧了TIG熔修(改善焊趾形貌)和噴丸(產生壓縮應力、局部塑性變形和晶粒細化)的特點，沖擊造成的塑性變形加強了超聲波所引起的材料軟化效應，使應力集中區域的殘余應力均勻化，并可減少晶格畸變。

本文通過概述國內外學者關于超聲沖擊對焊接殘余應力影響的研究成果，結合超聲沖擊處理在海工復雜結構上的典型應用，得出超聲沖擊處理對復雜結構表層焊接殘余應力及其分布具有明顯優化效果的結論。

1 超聲沖擊處理對應力調控研究現狀

1.1 超聲沖擊處理原理及設備

超聲沖擊處理是一種以針式沖擊來消除殘余應力的方法，它是以超聲發生器為激勵源，通過壓電陶瓷或磁致伸縮方式將超聲頻電源產生的高頻震蕩信號(大于18 kHz)轉換成機械振動，再經過變幅桿將振幅由幾微米放大到幾十微米，振動由沖擊針傳遞到金屬表面，在金屬表面及次表面產生塑性變形，達到消除表層拉伸殘余應力的目的。超聲沖擊處理示意圖見圖 1。

圖1 超聲沖擊處理示意圖

超聲沖擊處理后的內部殘余應力分布見圖 2。超聲沖擊處理試件后，表層0.01～0.1 mm區域為白亮層(增強結構耐腐蝕性和耐磨性)，距表面1～1.5 mm深度為塑性變形層，該兩層內的應力可由拉伸應力轉化為壓縮應力；距表面3～5 mm的沖擊松弛層內應力可降低70%，距表面10～15 mm的超聲松弛層內應力可降低50%[18]。由于超聲沖擊的應力松弛作用，16 mm厚690 MPa級別的高強鋼焊接接頭的焊趾位置經超聲沖擊處理后可引起深度達到6～8 mm的焊接殘余應力降低[17]。

圖2 超聲沖擊處理后的內部殘余應力分布[18]

本實驗使用JSKD-D型超聲沖擊設備，超聲電源產生超聲波頻率為20 kHz。實驗過程中采用四針頭進行沖擊，沖擊針直徑為3 mm。

1.2 超聲沖擊處理對殘余應力影響

超聲沖擊處理的顯著特點是能在處理層表面形成壓縮應力。本文規定平行焊縫方向的應力為縱向應力，垂直于焊縫方向的應力為橫向應力。304不銹鋼材料經超聲沖擊處理后表層的壓應力深度達到1～2 mm，遠大于高壓水射流噴丸和激光噴丸技術造成的壓應力深度(100～200 μm)[19]，并且超聲沖擊處理的壓應力峰值超過材料的屈服強度。饒德林等[11]對Q345D進行超聲沖擊處理，測得表面壓應力層接近3 mm。KHURSHID等[20]發現不同強度等級鋼(屈服強度分別為355、700、960 MPa)經超聲沖擊處理后都能造成達到2 mm深的壓縮殘余應力層，且鋼材屈服強度越高，沖擊產生的壓縮殘余應力值越大。朱海洋等[9]研究認為，超聲沖擊處理高強鋼后，表面壓縮應力峰值能達到材料屈服強度的0.8倍(X射線衍射法測試結果)，2 mm深度內的壓縮應力幅值能達到材料屈服強度的1.3倍(小孔法測試結果)。以上研究表明，超聲沖擊處理對不同強度等級金屬材料的應力調控都有明顯效果，且能造成達到約2 mm深度的壓縮應力，壓縮應力峰值達到0.8～1.3倍的材料屈服強度。LIU等[21]對50 mm厚Q345D鋼拘束態試樣進行超聲沖擊處理，采用XRD(X射線衍射法)、小孔法和輪廓法測試了表面應力，發現拘束試樣的表面橫向和縱向應力呈現為峰值達到材料屈服強度的拉伸應力且整個板寬都為拉伸應力，經過超聲沖擊處理后其表層的橫向和縱向拉伸應力轉化為幾乎一致的達到材料屈服強度的壓縮應力，見圖3。從圖中看出，說明超聲沖擊處理對超過屈服強度的拉伸應力同樣有效，對橫向和縱向應力的作用效果一致，且對沖擊區域外的表面應力沒有顯著影響。

圖3 拘束試板超聲沖擊處理前后的表面應力

焊接殘余應力是自相平衡的內應力。超聲沖擊處理后，試樣表層出現了壓縮應力，為保持應力平衡，其內部應力應該有所變化。LIU等[22]采用小孔法測試了45 mm厚EQ56鋼對接試板局部超聲沖擊處理前后的表層應力，并采用輪廓法測試內部應力分布，測試結果和有限元計算的焊態應力分布進行比較，測試結果見圖4。研究結果表明：超聲沖擊處理能引起表層2～4 mm深度的壓縮應力，且超聲沖擊處理對表面橫向和縱向拉應力的作用效應一致，即超聲沖擊處理具有可同時調控橫向和縱向應力的特點；由于表面的拉伸應力轉變為壓縮應力，內部的橫向和縱向壓縮應力有所升高，但不改變內部應力分布趨勢。

圖4 45 mm厚EQ56焊接試板超聲沖擊處理前后的應力變化

2 超聲沖擊處理對典型復雜結構應力調控

2.1 海洋鉆井平臺軸承座結構應力調控

軸承座焊接結構為自升式海洋鉆井平臺結構一部分，由多塊形狀復雜、厚度不一的高強鋼焊接而成。軸承座材質為A514Q，厚度為260 mm；月牙板、肋板厚度為38 mm，材質為EQ47，理論屈服強度為460 MPa，其結構示意圖見圖5。對于該類由不同厚度、不同材質焊接而成且多焊縫交錯相互拘束的結構，焊接殘余應力分布復雜且容易在焊縫中出現三向應力集中。有限元數值計算的該結構焊接殘余應力分布見圖6。從圖中可以看出，肋板—軸承座焊縫出現了X、Y、Z方向非常大的拉伸應力，月牙板—軸承座焊縫的Y向應力、肋板—月牙板焊縫的X方向應力也呈現為高拉伸應力。手動超聲沖擊處理非常適合與該類結構的應力調控。圖7為肋板—軸承座焊縫局部沖擊后肋板上測試的應力分布。經超聲沖擊處理后，焊縫處理區域的X方向和Z方向應力(肋板—月牙板焊縫的橫向和縱向應力)由300～500 MPa的高拉伸應力降低為-600 MPa的壓縮應力，且橫向縱向應力的壓縮應力一致。

圖5 軸承座示意圖(單位：mm)

圖6 軸承座結構焊接應力分布及超聲沖擊處理(單位：mm)

2.2 超聲沖擊對自升式鉆井平臺樁腿管應力調控

自升式鉆井平臺樁腿管節點焊接結構復雜，包括管—半圓板相貫焊接、管板焊接等多種不規則焊縫，且各構件材料不同，焊接殘余應力分布復雜。焊接后在管板焊縫、管—半圓板焊縫及其焊趾位置出現拉應力集中，易降低樁腿的疲勞壽命。該類結構焊縫區域窄小，而超聲沖擊方法能靈活應用在該類結構上。采用超聲沖擊處理管—半圓板焊縫前后的應力分布見圖8。從圖中看出，經超聲沖擊處理后，管—半圓板焊縫上接近600 MPa的拉伸應力全轉化為-600～-800 MPa的壓縮應力，特別是焊趾附近的拉應力集中現象完全得到消除。

圖7 肋板—軸承座焊縫超聲沖擊處理后殘余應力分布

圖8 樁腿關節點超聲沖擊處理前后的應力分布

3 結論

本文介紹了超聲沖擊處理的特點和優勢，重點介紹其焊接殘余應力影響的最新研究成果及在復雜焊接結構上的典型應用和效果。主要結論如下：

(1)超聲沖擊處理對不同強度等級鋼都有顯著的應力調控效果，造成沖擊區域產生深度達到約2～4 mm的壓縮應力層。

(2)超聲沖擊處理造成的壓縮應力峰值能達到材料屈服強度的0.8～1.3倍。

(3)超聲沖擊處理對橫向和縱向拉伸應力(甚至超過材料屈服強度的拉伸應力)具有相同的調控效果，沖擊區域的表層橫向和縱向壓縮應力幅值和分布趨勢基本一致；超聲沖擊處理對沖擊區域外的表層應力沒有顯著影響。

(4)結構經超聲沖擊處理后，表面的拉伸應力轉變為壓縮應力，內部的橫向和縱向壓縮應力有所升高，但不改變內部應力分布趨勢。

(5)超聲沖擊處理方法能靈活應用于大型復雜結構的窄小操作空間。在海工結構上的應用表明：該方法將顯著降低局部焊縫的應力集中，將拉伸應力轉變為壓縮應力，有利于結構的服役性能。