CN101492759B - 一种抗应力腐蚀开裂的超声冲击处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗应力腐蚀开裂的超声冲击处理工艺，包括下列步骤：对待处理的工件表面进行清洁处理，除去所有灰土、水垢和包覆物；将超声冲击枪对准待处理区域，待处理区域包括焊缝以及焊缝两侧热影响区，热影响区宽度为焊缝宽度的2～3倍；通过换能器将电能转换为机械能，超声冲击频率为20KHz，将超声冲击枪垂直于被处理工件表面，利用针头高速撞击确定的焊缝处理区域，冲击处理覆盖率达到50％以上；采用X射线衍射仪对工件表面进行检测，焊接工件表面的残余应力是压应力，应力值远远小于其工件发生应力腐蚀开裂的门槛值，并且在工件表面形成一定厚度的硬化层，处理完成。
Description
技术领域
本发明的超声冲击处理工艺涉及一种提高焊接接头抗应力腐蚀开裂性能的超声冲击处理工艺。
背景技术
在石油化工、纺织、造纸、原子能、医药、宇宙航行以及海洋开发等使用不锈钢的部门中，在焊接接头附近发生的应力腐蚀开裂事故约占湿态腐蚀损坏事故的47％。大量研究结果表明，焊接残余拉应力的存在是导致奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀开裂的主要因素之一。
超声冲击处理是一种较理想的消除焊接残余拉应力的方法。超声冲击装置由超声波发生器及执行机构两部分组成：通过超声波发生器将电网上50Hz工频交流电转变成超声频的20kHz交流电，用以激励声学系统的换能器。超声冲击处理方法是将超声冲击枪对准试件待处理区域，且基本垂直于工件表面；冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列；略施压力，使其基本在冲击枪自重的条件下，进行冲击处理。通过针头高速冲击焊接接头表面，使其发生塑性变形，并且形成一定厚度的残余压应力层。该处理方法具有强化效果显著、操作方便、成本低廉、环保以及适应性好等许多优点。
目前国内外已经将超声冲击处理应用于改善焊接接头疲劳性能和冷裂纹的抑制等方面，但在提高焊接接头抗应力腐蚀性能方面，还没有运用超声冲击处理工艺。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种超声冲击处理工艺，用于改善不锈钢焊接接头应力腐蚀开裂性能。
实现本发明目的的技术方案是：一种抗应力腐蚀开裂的超声冲击处理工艺，包括下列步骤：
1、对待处理的工件表面进行清洁处理，除去所有灰土、水垢和包覆物；
2、将超声冲击枪对准待处理区域，待处理区域包括焊缝以及焊缝两侧热影响区，热影响区宽度为焊缝宽度的2～3倍；通过换能器将电能转换为机械能，超声冲击频率为20KHz，将超声冲击枪垂直于被处理工件表面，利用针头高速撞击确定的焊缝处理区域，冲击处理覆盖率达到50％以上；
3、采用X射线衍射仪对工件表面进行检测，焊接工件表面的残余应力是压应力，应力值远远小于其工件发生应力腐蚀开裂的门槛值，并且在工件表面形成一定厚度的硬化层，处理完成。
所述步骤2中，选择针头硬度大于被处理工件材料的硬度的冲击针头，这样能够获得较好的冲击强化效果。冲击针头形状和直径的选择：冲击针头是杆状，头部为圆形，为了在冲击处理后在被处理工件表面形成光滑过度的凹坑。针头的直径为2～3mm。在选择针头直径时，过大的针头对于一定的工件部位(圆角)可能会发生处理不到的情况。冲击针头选择硬度大、耐冲击的工具钢作为冲击针头的材料，其化学成分的重量含量为：C为1.4～1.6％，Si小于等于0.04％，Mn小于等于0.04％，Cr为11.00～13.00％，Mo为0.70～1.20％，V为0.50～1.10％，P小于等于0.03。
所述步骤3中，针头高速撞击确定的焊缝处理区域时，略施压力，使其基本在执行机构(冲击枪)自重的情况下，以5mm/s的速度在焊缝及热影响区进行匀速处理，以保证材料表面处理均匀，并在不破坏材料表面结构的情况下确保冲击处理质量。
作为本发明的进一步改进，所述步骤1中还进一步包括采用磁粉、染色渗透或超声波进行缺陷及裂纹探测。
作为本发明的进一步改进，所述步骤2中，为保证处理效果与质量，超声冲击处理的覆盖率为100％～200％，因为过度处理或冲击时间过长可能会破坏材料表面结构。被处理表面的规定部位上，凹坑占据面积与需要处理强化面积之比的比值称为覆盖率。覆盖率以百分数表示。100％是无法确定的，一般采用98％的覆盖率表示覆盖率的一个单位，并且对应一个单位的冲击处理时间。因此，要求覆盖率大于等于100％时，单位面积上凹坑占据的面积至少应在98％以上，大于100％的覆盖率通常用98％覆盖率所要求的单位超声处理时间的倍数来表示。
本发明可以强化不锈钢焊接接头抗应力腐蚀开裂能力，其机理在于：焊接接头发生应力腐蚀开裂的基本原因是由于焊缝区域存在焊接残余拉应力，超声冲击处理后能在焊接接头表层形成足够大的残余压应力(远远小于应力腐蚀开裂发生的应力门槛值)，从而破坏应力腐蚀开裂发生的必要条件，以此达到强化不锈钢焊接接头抗应力腐蚀开裂能力的目的。该处理工艺适合多种形式焊接接头的强化。
本发明与超声冲击改善焊接接头疲劳性能和冷裂纹的抑制的处理工艺的不同之处在于：1、在处理工艺上，两者的处理区域不同，前者只需处理焊缝即可，而本工艺还对焊缝及热影响区进行高覆盖率的处理；2、在处理参数上，本发明处理后压应力值须远远小于其工件发生应力腐蚀开裂的门槛值，并且在表面形成一定厚度的硬化层；3、两者在使用目的上有着明显的不同点。
附图说明
图1是本发明实施例1超声冲击处理示意图。
图2本发明实施例1待处理区域示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
参照附图1和图2，一种提高奥氏体不锈钢焊接接头抗应力腐蚀开裂性能的超声冲击处理工艺，包括下列步骤：
1、对待处理的工件4表面进行表面处理，除去工件表面4上所有灰土、水垢和包覆物，采用磁粉、染色渗透或超声波进行缺陷及裂纹探测。
2、将超声冲击枪对准需要处理的区域，待处理区域为焊缝d1以及焊缝两侧热影响区d2，热影响区宽度d2为焊缝宽度d1的2～3倍，如焊缝宽度为10mm，焊缝两侧的热影响区宽带约为20～30mm。然后，通过换能器1将电能转换为机械能，再利用变幅杆2放大振幅并推动针头3高速撞击确定的处理区域。
3、处理中需要将超声冲击枪垂直于被处理工件4表面，以5mm/s的速度匀速处理。同时，冲击处理覆盖率要求达到100％～200％；
4、超声冲击处理后采用X射线衍射仪对焊接工件4表面进行检测，焊接工件4表面的残余应力是压应力，即为合格。
本实施例中，超声冲击处理工艺的主要参数的选择为：
1、冲击针头化学成分％：C 1.4～1.6，Si小于等于0.04，Mn小于等于0.04，Cr11.00～13.00，Mo0.70～1.20，V0.50～1.10，P小于等于0.03。
2、冲击针头直径：2～3mm。
3、冲击针头的硬度：达到55HRC(洛氏硬度)。
4、冲击速度：5mm/s。
5、冲击角度：90°。
6、超声频率：20KHz。
7、覆盖率：达到100％～200％。
通过超声冲击处理后具体技术效果如下：
1、采用X射线衍射仪进行检测焊接工件表面，检测点处的残余应力均为压应力，最大值达到-340MPa。
2、焊接工件表面硬化层厚度：500μm以上。
3、表面晶粒尺寸达到60nm。
4、微观应变达到0.1473％。
5、通过标准的应力腐蚀加速试验(GB4334.8-84《不锈钢42％氯化镁应力腐蚀实验》)对比发现，处理后可使不锈钢焊接头的抗应力腐蚀性能提高50倍以上。
Claims (7)
1.一种抗应力腐蚀开裂的超声冲击处理工艺，其特征是，该工艺包括下列步骤：
1)对待处理的工件表面进行清洁处理，除去所有灰土、水垢和包覆物；
2)将超声冲击枪对准待处理区域，待处理区域包括焊缝以及焊缝两侧热影响区，热影响区宽度为焊缝宽度的2～3倍；通过换能器将电能转换为机械能，超声冲击频率为20KHz，将超声冲击枪垂直于被处理工件表面，利用针头高速撞击确定的焊缝处理区域，针头高速撞击确定的焊缝处理区域时，以5mm/s的速度在焊缝及热影响区进行匀速处理，冲击处理覆盖率达到50％以上；
3)采用X射线衍射仪对工件表面进行检测，焊接工件表面的残余应力是压应力，应力值远远小于其工件发生应力腐蚀开裂的门槛值，并且在工件表面形成一定厚度的硬化层，处理完成。
2.根据权利要求1所述的超声冲击处理工艺，其特征是，所述步骤2中，选择针头硬度大于被处理工件材料的硬度的冲击针头。
3.根据权利要求2所述的超声冲击处理工艺，其特征是，所述步骤2中，所述冲击针头是杆状，头部为圆形，针头的直径为2～3mm。
4.根据权利要求2所述的超声冲击处理工艺，其特征是，所述步骤2中，所述冲击针头选择工具钢材料。
5.根据权利要求2所述的超声冲击处理工艺，其特征是，所述步骤2中，所述冲击针头的化学成分的重量含量为：C为1.4～1.6％，Si小于等于0.04％，Mn小于等于0.04％，Cr为11.00～13.00％，Mo为0.70～1.20％，V为0.50～1.10％，P小于等于0.03。
6.根据权利要求1所述的超声冲击处理工艺，其特征是，所述步骤1中还进一步包括采用磁粉、染色渗透或超声波进行缺陷及裂纹探测。
7.根据权利要求1所述的超声冲击处理工艺，其特征是，所述步骤2中，超声冲击处理的覆盖率为100％～200％。
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