CN104531980A - 用超声和电脉冲耦合提高焊缝区力学性能和耐蚀性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用超声和电脉冲耦合提高焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，包括如下步骤：选择金属件的焊缝和焊接热影响区域作为超声冲击的工作区域，导入脉冲电流至金属件的焊缝表面和焊接热影响区表面进行电致塑性处理，同时超声冲击设备通过其高硬度冲击压头对该工作区域的表面依次进行超声冲击处理。其中，超声冲击静压力为30N—200N，所述脉冲电流的方向与所述金属件的焊缝之间夹角为50-90度。其将超声和电脉冲复合作用于焊缝表面，快速地改善焊缝区的微观组织结构，细化表层晶粒并得到强度和塑性的良好匹配，使材料表面达到强韧化效果，同时优化该区域的残余应力状态，使焊缝结构的抗疲劳性能和耐蚀性提高，使用寿命延长。
Description
技术领域
本发明涉及金属件焊缝区表面处理技术，特别是一种用超声和电脉冲耦合提高金属件焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，在金属件焊缝区（包括焊缝和焊接热影响区）加载高频脉冲电流过程中，同时对其表面进行超声频的冲击，改善其表层微观组织结构和应力状态，提高其力学性能和耐蚀性。
背景技术
焊缝作为两个金属物体通过焊接连接的区域，其性能直接影响整个结构的安全性。在焊接产品和结构在服役过程中，焊缝区容易出现的是疲劳破坏。焊缝和焊接热影响区存在着严重的应力集中和焊接残余应力，使这些地区易于产生疲劳裂纹。另外材料的服役环境是处于腐蚀介质中，在残余应力和腐蚀介质共同作用下可能引起应力腐蚀破坏。在这种状况下，腐蚀裂纹扩展的速度非常快，极大的缩短结构的寿命。在影响焊缝疲劳寿命的诸多因素中，残余应力是难以避免的，也不容易通过优化焊接工艺和结构设计进行消除，必须在焊接后采用其他方式进行处理。提高焊接结构疲劳强度的有效途径有四点：1.改变焊缝的几何外形，降低焊趾部位的应力集中。2.消除接头部位的表层焊接缺陷和显微缺陷。3.调节残余应力，消除其消极影响，使其向有利于疲劳强度提高的方向转变。4.对接头位置尤其是焊趾区进行表面改性，使其组织得到强韧化。
在各种提高焊接疲劳性能的工艺中，超声冲击由于其设备轻便、效率高、成本低等诸多优势一种理想的焊接后改善接头疲劳性能的措施。采用超声冲击设备对金属表面进行处理，对金属表面组织结构有两种效果。首先是局部的塑性变形使表层金属晶粒细化。表层应变量较大的地区晶粒可以细化到亚微米级。晶粒细化可以有效提高金属表面强度和韧性。其次超声冲击可以在金属表面产生压向残余应力，压向应力可以有效提高材料的应力强度因子差值的阀值，对于疲劳裂纹来说，可以有效阻碍裂纹萌生和早期扩张，同时有效避免应力造成的腐蚀。
上述超声冲击处理工艺设备简单，操作简便，目前已经大量应用于焊接的后续处理。然而该工艺存在的不足之处主要可以归结为以下几点：
1.超声冲击后，焊缝表面的金属将出现很大的加工硬化。加工硬化虽然可以提高结构的强度，但是由于缺乏塑性变形能力，使其出现脆性的倾向，这对结构的安全性埋下隐患。过度的超声冲击后，冲击触头在金属表层留下划痕或微裂纹等表面缺陷，表面缺陷可能直接成为裂纹源，反而对金属结构的疲劳强度有害。
2.由于金属自身的形变抗力，超声冲击只造成表层局部的塑性变形，晶粒细化的深度有限，一般不超过200微米。
3.单纯的超声冲击需要较长的时间才能使焊缝组织达到较高的残余应力状态，一条普通的焊缝可能需要几个小时的冲击，从人力成本和时间成本上来说，都是不够经济的。而长时间的冲击造成的金属表面损伤也不可能通过超声进行修复，这是超声冲击的矛盾所在。
发明内容
针对当前工业和工程中广泛采用的超声冲击对焊缝和热影响区后处理存在的缺陷，本发明提供一种用超声和电脉冲耦合提高金属件焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，将将高频电脉冲与超声冲击进行耦合共同作用于焊缝和焊接热影响区表面，在处理过程中动态的对其表面进行适当软化和组织修复，以弥补单纯超声冲击带来的表面加工硬化和宏观表面缺陷等问题，提高焊缝结构的力学性能和耐蚀性，延长结构寿命。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种用超声和电脉冲耦合提高金属件焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，包括如下步骤：选择金属件的焊缝和焊接热影响区域作为超声冲击的工作区域，导入脉冲电流至金属件的焊缝表面和焊接热影响区表面进行电致塑性处理，同时超声冲击设备通过其高硬度冲击压头对该工作区域的表面依次进行超声冲击处理。
其中，超声冲击静压力为30N—200N。
所述脉冲电流的方向与所述金属件的焊缝之间夹角最好为50-90度。
所述金属件焊缝区包括焊缝和焊接热影响区域，本方法将焊缝表面和焊接热影响区域表面作为高频脉冲电流和超声冲击作用表面（待处理表面），导入的脉冲电流参数为频率100-5000Hz、脉宽20-1000μs、峰值电流100-10000A。所述高硬度冲击压头的振动频率20000-60000Hz，振幅5-25μm。
所述超声冲击设备可以由支撑设备带动以速度1-20mm/s相对于所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区表面平移。当对所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区表面进行往复移动超声冲击处理时，超声冲击工作速度为0.05-5cm2/min。
所述超声冲击设备的高硬度冲击压头为超声冲击施加载体，该高硬度冲击压头可采用球形压头或方形压头，硬度大于60HRC。所述高硬度冲击压头优选采用球形压头，其曲率半径为5-20mm，硬度大于60HRC。
超声冲击设备借助支撑设备进行控制，支撑设备可选择进行过绝缘改装的铣床、磨床等。若采用改装后的铣床等设备，金属构件固定在与铣床工作台绝缘的夹具上，用超声冲击设备替换相应的铣刀等刀具或摩具。超声冲击设备也可以简易手持作业。
本发明将超声冲击和高能电脉冲复合用于焊缝表面改性处理，通过机械冲击和电流的联合作用，快速改善焊缝区域的微观组织结构，细化表层晶粒并得到强度和塑性的良好匹配，使材料表面达到强韧化的效果，同时优化该区域的残余应力状态，提高材料的抗疲劳性能和耐蚀性，使材料的寿命和服役的安全性得到较大的提升。
同时对焊缝表面施加高频脉冲电流和超声冲击可以在保有超声冲击的处理效果的基础上，有效解决前述单纯采用超声冲击的诸多缺陷。首先在高频脉冲电流的作用下表层的形变抗力降低，使变形带和细化层的厚度增大。由于金属的软化，整个形变过程可以以较快的速率进行，有效的提高了冲击处理的工作效率，节约时间成本,适合大规模的工业推广。
脉冲电流的作用可以促进组织回复，释放一定比例的形变储能，修复过分硬化区域，避免产生表面微裂纹。在各种加工参数（电脉冲参数和超声参数）的合理控制下，可以使组织保持压向残余和晶粒细化的同时，降低加工硬化，提高材料的塑性和韧性，提高其耐腐蚀性能，进而提高金属结构的安全性。
附图说明
图1为本发明声电耦合对焊缝区域进行改性处理的实验装置示意图：
图2为经声电耦合处理后的S50钢焊缝地区金相组织；
图3为S50钢声电耦合处理后焊缝表面硬度值分布图；
图4为S50钢声电耦合处理后焊缝表面残余应力分布图；
图5为原D36船板钢焊缝放置于自然条件下3个月的实物图片；
图6为经声电耦合处理后的D36船板钢焊缝放置于自然条件下3个月的实物图片。
具体实施方式
以下结合实施例、附图对本发明详细说明。
本发明处理的金属件焊缝区包括焊缝和焊接热影响区域，其将焊缝表面和焊接热影响区表面作为高频脉冲电流和超声冲击共同作用表面，脉冲电流可选择电极夹、表面接触电极等直接输入。
如实验装置示意图1所示，带有焊缝的钢板试件固定在经绝缘改造的铣床工作台上，将超声冲击设备配置在做绝缘改造后的铣床主轴上，该钢板试件两边夹置的电极夹分别通过导线连接到脉冲电源的两输出端。按照此配置加载的脉冲电流垂直于焊缝，在进行超声冲击过程中，超声冲击枪移动的方向平行于焊缝，该钢板试件的焊缝表面和焊接热影响区表面作为脉冲电流和超声冲击作用表面。脉冲电流频率可在120Hz到600Hz范围调整，通过该钢板试件两边（两电极夹之间）加载的脉冲电压均方根值在60～350mV之间。在此配置下，冲击过程中超声冲击设备的进给速度介于0.5mm·s-1至50mm·s-1，冲击处理的效率大约为5～20cm2·min-1。为使处理的效果较明显，可以选择较慢的进给速度。
以下进行具体实验对焊缝声电耦合冲击处理的效果进行分析。本实验采用S50钢焊缝，所用S50钢钢板厚度15mm，切割成15×10cm的矩形试样，焊缝平行于矩形长边，焊缝为普通手工焊接，焊条选用普通碱性焊条。S50钢含碳量0.55%，初始硬度值为185HV，屈服强度380MPa，其显微组织由铁素体和珠光体组成。所用超声冲击设备频率为20kHz，振幅10μm。所用脉冲电流频率为150Hz，脉宽50μs，采用三个外加电压分别为75、100和150V，对应其均方根电流密度分别为1.38、2.70和4.98A/mm2 。处理过程中压头的静压力为80N，冲击处理的速度为0.5cm2/min。经过声电耦合处理后，其S50钢焊缝区域的金相组织如图2所示，从图2中可见，焊缝表面约100微米厚度内出现强烈变形组织，其变形量随着距离表面深度增加逐渐减小，珠光体组织被变形分割，铁素体晶粒被拉长非等轴化并细化，晶粒尺寸呈梯度分布，从表面的细晶区逐渐增大过渡到原始组织。加工硬化使表面硬度值提高，如图3所示，距离表面约30微米附近，表面硬度值可达到HV260以上，硬度值随着距离表面的深度增加逐渐降低至未处理的原始硬度值。同时冲击使组织表面出现压向残余应力，如图4所示，其残余应力值介于-80～-45MPa，并随着处理时间延长而增大。
采用声电耦合对焊缝地区处理后，其耐腐蚀性能得到提高，图5所示为未经处理的D36船板钢在焊接后放置于自然条件下3个月后锈蚀的情况，可以看见焊缝和周边热影响区出现较严重的锈蚀。图6所示为D36船板钢在焊接后采用本发明声电耦合表面处理（处理条件同上述S50钢焊缝），在相同环境中放置3个月后的焊缝状态。从图6中可以明显看出，焊缝和周围热影响区没有出现严重锈蚀，而靠近热影响区未做处理的地区则出现锈蚀。
综上所述，采用本发明声电耦合对焊缝及其热影响区进行处理后，其表层晶粒得到细化，组织的强度和塑性得到改善，同时在表层形成了压向的残余应力，可以有效的提高焊缝的耐疲劳性能。通过自然锈蚀的比对证明本发明处理工艺可以有效提高焊缝地区的耐腐蚀性。这对于焊缝结构的安全具有重要意义。
Claims (10)
1.一种用超声和电脉冲耦合提高金属件焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，包括如下步骤：
选择金属件的焊缝和焊接热影响区域作为超声冲击的工作区域，导入脉冲电流至金属件的焊缝表面和焊接热影响区域表面进行电致塑性处理，同时超声冲击设备通过其高硬度冲击压头对该工作区域的表面依次进行超声冲击处理；
其中，超声冲击静压力为30N—200N。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：导入所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区域表面的脉冲电流参数为频率100-5000Hz、脉宽20-1000μs、峰值电流100-10000A；所述高硬度冲击压头的振动频率20000-60000Hz，振幅5-25μm。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述脉冲电流的方向与所述金属件的焊缝之间夹角为50-90度。
4.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述超声冲击设备由支撑设备带动以速度1-20mm/s相对于所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区域表面平移。
5.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：当对所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区域表面进行往复移动超声冲击处理时，超声冲击工作速度为0.05-5cm2/min。
6.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述高硬度冲击压头采用球形压头或方形压头，硬度大于60HRC。
7.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述高硬度冲击压头为球形压头，其曲率半径为5-20mm，硬度大于60HRC。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：导入所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区域表面的脉冲电流参数为频率100-5000Hz、脉宽20-1000μs、峰值电流100-10000A；所述脉冲电流的方向与所述金属件的焊缝之间夹角为50-90度。
9.据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述高硬度冲击压头的振动频率20000-60000Hz，振幅5-25μm。
10.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述电极是表面接触电极。
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