超声冲击工艺对铝合金焊接接头残余应力的影响.pdf

第 卷第 期 年 月 江苏科技大学学报（ 自然科学版） （ ） 超声冲击工艺对铝合金焊接接头残余应力的影响 陈 健，方 锴，崔 庭，肖 跃，郝 岩 （ 江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室，江苏 镇江 ） 摘 要：对 铝合金薄板对接接头进行超声冲击， 分析了不同冲击次数、 冲击速度及冲击区域对焊接残余应力影响 分 别测定了不同工艺冲击前后接头表面应力分布 结果表明： 超声冲击能有效降低焊接残余应力， 随着冲击次数增加或冲击 速度降低， 焊缝及其附近区域的表面残余拉应力逐渐减小并转为压应力， 压应力的最大值对应相应的冲击区域， 冲击一定 时间后， 压应力值达到最大， 此后继续增加冲击次数或降低冲击速度， 压应力值减小 冲击速度对应力状态影响程度比冲击 次数大 与焊缝冲击、 双面冲击相比， 热影响区冲击能在焊缝两侧形成较广的压应力区域 关键词：超声冲击；铝合金；残余应力 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） ， ， ， ， （ ， ， ， ） ： ， ， （ ） ， ， ， ， ， ： ； ； 收稿日期： 基金项目：江苏省高校优势学科建设工程基金资助项目 作者简介：陈 健（ ） 男， 江苏张家港人， 高级工程师， 研究方向为表面工程技术、 先进材料连接技术 ： 超声冲击（ ， ） 是 一种机械表面处理方法 由于具有轻巧、 效率高、 无 污染等优点， 常被用来消除焊接接头残余应力、 改 善接头疲劳、 腐蚀等性能 例如， 超声冲击低中 强钢焊接接头焊趾部位后， 焊趾处的拉应力转变为 压应力， 应力集中系数下降， 提高了接头的疲劳强 度 对 不锈钢焊缝及热影响区冲击后， 接头 表面一定范围内引入了有益的压应力， 冲击部位晶 粒细化， 使其在 沸腾溶液中的应力腐 蚀敏感性明显降低 另外， 焊后立即对灰铸铁焊 缝全覆盖超声冲击， 可在焊缝中引入压应力， 同时 抑制了淬硬组织的出现， 有效防止了冷裂纹的形 成 采用不同的超声冲击工艺参数产生的压应 力状态、 冲击区域表面质量也有所不同， 从而影响 接头性能的改善程度 研究发现冲击产生的微裂纹 会削弱超声冲击对接头性能的改善程度 因此， 分析不同冲击工艺参数对残余应力状态的影响， 可 以为如何更有效地改善接头性能提供参考， 而目前 关于这方面的研究较少 超声冲击工艺参数主 要包括： 设备的频率与振幅、 冲击区域、 冲击头类 第 期陈 健， 等：超声冲击工艺对铝合金焊接接头残余应力的影响 型、 冲击枪移动速度与冲击次数 文中研究了冲击 枪移动速度、 冲击次数以及冲击区域对铝合金薄板 对接接头残余应力大小及分布的影响 试验过程与方法 试验材料及焊接方法 母材为铝合金 ， 规格为 焊丝为 ， 直径 采用松 下 焊机手工交流氩弧焊， 焊接工艺参数 为电流 ， 焊速约 ， 保护气为纯氩 气 接头类型为平板对接 超声冲击工艺 超声冲击处理设备主要由超声波发生器、 换能 器、 变幅杆、 冲击头组成 试验用设备主要参数： 超 声频率为 ， 冲击头振幅为 ， 工 作电流为 冲击工艺见表 焊缝冲击 指对焊缝正面进行全覆盖冲击 双面冲击时先冲击 焊缝正面再冲击焊缝背面 冲击速度指冲击头的移 动速度 冲击头类型如图 所示， 单针头冲针直径 为 ， 球冠针头冲针直径为 冲击时将试 样机械固定， 冲击枪垂直于待冲击区域 表 冲击工艺参数 序号冲击区域 冲击头类型 冲击 次数 冲击速度 焊趾冲击单针头 焊趾冲击单针头 焊趾冲击单针头 焊趾冲击单针头 焊趾冲击单针头 焊缝冲击球冠针 热影响区冲击 球冠针 双面冲击球冠针 图 冲击头类型 显微硬度测试及显微组织观察 采用 型显微硬度计， 测量冲击前后冲 击区域断面显微硬度 载荷为 ， 加载时间为 从冲击区域中心表面开始， 沿板厚方向， 每间 隔 进行一次测量 采用 金相显微镜对超声冲击后冲击区 域断面观察是否有微裂纹产生 试样经过机械抛光 后采用 的腐蚀剂腐蚀 残余应力测试 采用切条法对冲击前后接头表面纵向残余应力 进行测量 静态电阻应变仪型号为 ， 电阻应变计 型号为 ， 电阻 ， 灵敏系数为 在距焊缝始端 处， 选取 个测量点， 分别与焊缝中心间隔 ， ， ， ， ， ， 结果与分析 冲击次数、 速度对显微硬度影响 采用 的冲击速度， 分别对焊趾冲击 ， ， 次后冲击区域显微硬度分布如图所示经 过一次冲击后显微硬度已经显著增加， 冲击区域表 面显微硬度升高至 ， 第二冲击后显微硬度 仍有所提高， 此后继续增加冲击次数， 硬度基本保 持不变此时， 显微硬度分布状态可视为在此冲击 速度下最终冲击硬化效果 图 不同次数冲击前后显微硬度分布 图为分别采用 ， ， 的冲击速度对 焊趾冲击 次后， 冲击区域显微硬度分布状态 当 冲击速度为 时， 冲击后的硬度与焊态相 比提高了 当冲击速度降至 后， 冲 击硬化效果还有所增强， 但不明显此后， 继续降 低冲击速度， 硬度几乎不再增加 上述结果表明， 按照确定的工艺参数进行超声 冲击时， 冲击区域的显微硬度变化规律可概括为： 随着冲击时间的增加（ 增加冲击次数或者降低冲 击速度） ， 显微硬度不断提高， 经过一段时间， 由于 加工硬化， 显微硬度分布趋于稳定 另外， 观察图 ， 发现， 无论采用何种冲击速度和冲击次数， 冲 江苏科技大学学报（ 自然科学版）第 卷 击影响深度均约为 图 同速度冲击前后显微硬度分布 冲击次数、 速度对残余应力影响 图 为采用不同的冲击速度对焊趾冲击 次 后应力分布曲线 冲击速度为 时， 焊缝及 热影响区残余应力减小， 但仍为拉应力 当速度降 低至 ， 焊缝及热影响区开始产生有益的压 应力， 焊缝中心压应力数值为 然而， 速度 继续降低至 后， 焊缝及附近区域压应力数 值并没有继续增大， 反而减小 采用 的冲击速度， 对焊趾冲击不同 次数后应力分布如图 所示 冲击 次后， 距焊缝 中心约 区域内产生了压应力冲击次数增加 至 次， 距焊缝中心约 内均为压应力， 压应 力数值增大， 焊缝中心压应力值达到了 但 冲击次数继续增加至 次时， 焊缝周围的压应力区 域及数值均有不同程度减小， 焊缝中心压应力值仅 与冲击 次后的相当 结果表明， 冲击次数与冲击 速度对接头应力影响规律一致， 应力变化均经历 个阶段 在冲击初始阶段， 距焊缝一定范围内的焊 接残余压应力在超声冲击作用下逐渐减小并转为 拉应力， 随着冲击次数增加或冲击速度降低， 压应 力值达到最大； 此后， 继续增加冲击次数或降低冲 击速度， 焊缝周围的压应力区域及其数值均呈下降 趋势 焊接接头的应力重新分布是冲击区域应力状 态变化的结果， 因此， 冲击次数或冲击速度对焊趾 处的应力影响规律是一致 超声冲击能量在整个冲击过程中是守恒的 在第一阶段， 冲击能量主要用来在冲击区域产生塑 性变形， 使得应力不断得到释放， 直至生成有益的 压应力而在第二阶段由于加工硬化， 冲击区域继 续塑性变形变得困难图 ， 分别为以 速度冲击 ， 次后冲击区域的显微组织及变形情 况， “ 凹坑” 处为冲击区域对比发现， 在第二阶段 显微组织及变形不再有明显变化， 冲击区域表面也 没有因冲击时间延长而产生裂纹此时的应力变 化是在高频动态循环载荷下， 冲击区域受到类似振 动时效作用， 原子处于受激发态， 产生共振， 晶格畸 变能减小， 从而压应力值减小另外， 随着冲击时 间延长， 冲击区域在动态循环载荷作用下， 也可能 会产生接触疲劳， 使冲击第一阶段产生的较大压应 力在疲劳载荷作用下会得到释放 ， 且主要发生 在循环初始阶段 图 不同速度冲击前后应力分布 图 不同次数冲击前后应力分布 图 冲击 次后显微组织及变形 由于超声冲击技术广泛用于实际生产， 因此需 要考虑其工作效率， 即在较短的冲击时间内获得所 第 期陈 健， 等：超声冲击工艺对铝合金焊接接头残余应力的影响 需的应力状态以上结果说明在冲击速度选取合 理的情况下， 仅需较少的冲击次数即能获得所需的 应力状态， 也即冲击速度对应力状态的影响程度比 冲击次数大因此， 在制定工艺参数时， 应先选取 合适的冲击速度， 再制定相对应的冲击次数 图 冲击 次后显微组织及变形 冲击不同区域对残余应力影响 图 为采用 冲击速度分别对不同区 域冲击 次后的应力分布情况， 由此可见， 焊缝及 附近区域内的残余拉应力均转为有益的压应力， 且 最大拉应力向母材区转移 其中： 对焊缝冲击后， 焊 缝中心压应力最大， 为 ， 距焊缝中心约 范围内均为压应力； 而对热影响区冲击后， 离焊缝中心 处的热影响区压应力最大， 为 ， 距焊缝中心约 范围内均为压应力， 由于应力平衡原则， 焊缝中心处压应力减小为 ； 对焊缝进行双面冲击后， 焊缝中心压应力 值为 ， 焊缝附近的压应力区域缩小至 ， 即先冲击面产生的压应力在背面冲击后反而变小 了但由于双面冲击后， 接头的正反表面应力值均 下降， 可能更有助于改善接头性能上述试验结果 还表明， 最大压应力总是产生于相冲击区域； 与焊 缝冲击及双面冲击相比， 对热影响区冲击后在焊缝 附近可获得更大范围压应力区 图 冲击不同区域前后应力分布 结论 ）随着冲击次数增加或冲击速度降低， 焊缝及 附近区域的焊接残余拉应力逐渐减小， 并转为压应 力， 冲击一定时间后， 压应力值达到最大； 继续增加 冲击次数或降低冲击速度， 压应力值呈下降趋势 ）与冲击次数相比， 冲击速度对应力状态影 响程度更大 ）与焊缝冲击及双面冲击相比， 冲击热影响 区可以在焊缝附近更广范围内产生压应力 参考文献（ ） （ ） ， ， （ ） ： 王东坡， 周达 超声冲击法提高焊接接头疲劳强度的