超聲沖擊問題對策

2A12 高強鋁合金具有質(zhì)輕、價廉及良好的加工和低溫力學(xué)性能, 成為制造高強度焊接結(jié)構(gòu)的理想材料, 在工業(yè)和國防中得到廣泛應(yīng)用 。目前, 該合金的焊接主要采用氬弧焊, 由于焊接過程中熱輸入量大, 容易出現(xiàn)焊接變形和殘余應(yīng)力, 同時填充材料和焊縫兩側(cè)材料經(jīng)過熔化重新結(jié)晶, 最終在焊縫處形成鑄態(tài)組織, 容易出現(xiàn)氣孔、縮松等缺陷, 致使焊后接頭強度降低, 一般只有母材強度的50% ~60% , 其應(yīng)用受到了很大的限制。為此, 許多研究人員提出了多種改善高強鋁合金焊接接頭強度的方法。

超聲沖擊技術(shù)代表豪克能焊接應(yīng)力消除

超聲沖擊技術(shù)是最新發(fā)展起來的一種提高焊接接頭疲勞強度的新方法。許多研究表明, 通過焊后超聲沖擊可以大幅度提高焊接接頭的疲勞強度, 能夠使疲勞壽命增加幾倍甚至幾十倍以上。超聲沖擊設(shè)備更是該項技術(shù)的領(lǐng)路人。文中研究了2A12 鋁合金焊縫經(jīng)過超聲沖擊設(shè)備消除應(yīng)力前后斷面顯微組織和硬度, 焊接接頭表面顯微硬度與殘余應(yīng)力的變化, 探討了超聲沖擊提高高強鋁合金焊接接頭強度的微觀機理。

2 試驗結(jié)果與分析

2. 1 超聲沖擊處理對焊縫組織的影響

圖1 是超聲沖擊處理前后焊接接頭焊縫區(qū)光學(xué)顯微組織形貌。由圖1a 可見, 未處理焊縫為樹枝晶鑄態(tài)組織, 這種鑄態(tài)組織晶粒粗大且不均勻, 組織不致密, 氣孔、縮松等微觀缺陷較多。圖1c 是超聲沖擊處理后焊縫區(qū)不同放大倍數(shù)的顯微組織形貌。從中可以看出, 超聲沖擊處理后, 焊縫的顯微組織發(fā)生了明顯的變化, 焊縫表面層發(fā)生了劇烈的塑性變形, 變形程度隨著深度的增加逐漸變小。同時可以看到, 超聲沖擊處理后焊縫中無論是氣孔的數(shù)量還是單個氣孔的體積都明顯減少, 焊縫組織更加致密, 其主要原因是焊縫合金組織經(jīng)超聲沖擊處理后產(chǎn)生了大塑性變形, 其中微小的氣孔或縮松被壓合, 從而使組織致密化。

在塑性變形過程中, 隨著焊縫內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化, 金屬的力學(xué)性能也產(chǎn)生明顯的變化。隨著變形程度的增加, 會產(chǎn)生加工硬化, 使金屬的強度和硬度得到提高, 這在斷面顯微硬度的測定中得到了證實。

2. 2 超聲沖擊處理對顯微硬度的影響

2. 2. 1 表面顯微硬度變化

圖2 為未處理和經(jīng)超聲沖擊處理后2A12 高強鋁合金焊接接頭表面顯微硬度的分布圖。由圖可約為80HV0. 25, 僅為母材的66. 7%; 超聲沖擊在焊接接頭區(qū)形成一層硬化層, 使焊縫、焊趾以及與其相連的母材金屬表面的硬度均有明顯提高, 硬度值上升到130 HV0. 25 左右, 高于母材硬度。與母材相比, 焊縫、焊趾部位硬度提高更為明顯, 這對改善焊接接頭的力學(xué)性能具有積極的作用。見, 未處理的焊接接頭焊縫中心部位的維氏硬度大。

2. 2. 2 斷面顯微硬度變化

超聲沖擊處理前后, 測得焊縫斷面硬度結(jié)果分析如圖3 所示, 由圖可以看出, 經(jīng)超聲沖擊處理, 焊縫表面層的顯微硬度約為91 HV0. 25, 遠遠高于焊縫中心部位的硬度。隨著深度的進一步增加, 硬度值先降低, 然后變化趨于緩慢, 大約為55 HV0. 25。超聲沖擊處理前, 焊縫區(qū)域的硬度大約45 HV0. 25,低于沖擊處理后。超聲沖擊處理使材料表面產(chǎn)生了劇烈的塑性變形, 隨著塑性變形的進行, 位錯密度不斷增加, 位錯在運動時的相互交割加劇, 從而產(chǎn)生固定割階、位錯纏結(jié)等障礙, 位錯運動阻力增大, 引起變形抗力增加, 使金屬的進一步塑性變形變得困難, 要繼續(xù)變形就必須增大外力, 因此就提高了金屬的強度( 加工硬化) , 其直接表現(xiàn)就是硬度和后繼屈服強度的增加 。

另外, 超聲沖擊處理減少了氣孔和縮松等焊接缺陷, 使焊縫組織致密化, 在表層得到了鍛態(tài)組織。這是硬度增加的另一原因。硬度的提高會使焊接接頭的強度得到提高。

2. 3 超聲沖擊處理對殘余應(yīng)力的影響

焊接殘余應(yīng)力是熔化焊接工藝的一個很難避免的缺陷, 對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞、脆斷、應(yīng)力腐蝕破壞以及屈服強度、尺寸穩(wěn)定性都存在很大影響。因此最大限度地降低或消除焊接殘余應(yīng)力, 是焊接結(jié)構(gòu)領(lǐng)域十分關(guān)注的一個重要問題。為此, 對超聲沖擊處理前后的殘余應(yīng)力進行了測試分析。采用X 射線應(yīng)力測試技術(shù), 沿焊接接頭橫向測定了處理和未處理試件的表面殘余應(yīng)力分布, 結(jié)果如圖4 所示。由圖可見, 在超聲沖擊前焊縫區(qū)2 個測點的殘余應(yīng)力值都比較大, 最大值為127MPa, 焊趾處殘余應(yīng)力值為- 35 MPa, 母材2 個測點的殘余應(yīng)力為- 12MPa和3 MPa, 符合一般的焊接接頭殘余應(yīng)力拉壓自相平衡分布規(guī)律 。經(jīng)超聲沖擊處理后的焊縫和焊趾3個測點的殘余應(yīng)力都變?yōu)閴簯?yīng)力, 最大壓應(yīng)力為- 133 MPa, 最小壓應(yīng)力為- 50 MPa。

結(jié)論

(1) 2A12 鋁合金采用ER5356 焊絲的焊接接頭, 焊縫區(qū)具有鑄態(tài)組織的特征, 存在明顯的氣孔、縮松等缺陷。經(jīng)超聲沖擊處理后, 以上缺陷明顯減少, 組織更加致密, 同時在表面層形成了一層厚度約300 Lm的致密塑性變形層。

( 2) 由于表面產(chǎn)生大塑性變形, 超聲沖擊處理使焊接接頭的表面顯微硬度得到了明顯提高。

( 3) 全覆蓋超聲沖擊能夠消除2A12 鋁合金焊接接頭表面的致裂拉伸殘余應(yīng)力, 形成有利的殘余壓應(yīng)力層。

( 4) 超聲沖擊處理使焊縫表面鑄態(tài)組織向鍛態(tài)組織轉(zhuǎn)變, 氣孔、縮松等缺陷的減少, 硬度的提高以及殘余應(yīng)力的大幅降低都將對提高焊接接頭的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能有重要的作用。