CN105643186A - 一种焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，该工艺镁合金焊接结构使用过程中，对焊接接头实施循环超声冲击处理，以修复焊接接头制造和使用中由于工艺、负荷和环境等因素造成的表面质量与性能下降以及愈合使用中产生的部分微缺陷，从而延长使用寿命。

Description

一种焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺
技术领域
本发明涉及一种对使用中(在役)的MB8镁合金焊接接头进行维护保养的方法，通过循环超声冲击修复镁合金焊接接头的表面质量，从而延长接头疲劳寿命，属于镁合金焊接结构延寿技术。
背景技术
镁合金具有密度小、比强度高、耐冲击、减震性好以及易回收无污染等优点，成为继钢铁、铝合金材料之后的第三大金属结构材料。近几年随着生产能力和技术水平的提高，生产成本的下降，镁合金已从主要应用于国防和航空航天产品，扩展到汽车及其它民用领域。但由于镁合金具有性质活泼、熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点，使其焊接性较差，从而影响接头的表面质量，除存在残余拉应力以及由于焊接接头成形不好，造成较大的应力集中外，热影响区容易过热，导致晶粒粗大，也是引起镁合金焊接接头疲劳性能下降，焊接结构的使用寿命较低的主要原因。
研究表明，疲劳失效是焊接结构失效的主要形式。如何保证和提高镁合金焊接接头的疲劳性能，降低服役焊接结构疲劳性能恶化的速度，延长其使用寿命是扩大镁合金焊接结构件推广应用的关键。文献检索与专利检索显示目前针对镁合金焊接接头疲劳性能改善的研究很少，并且大多是借鉴了一般钢铁材料焊接接头疲劳性能改善的做法，即从改变焊接接头残余应力状态和降低应力集中的角度采取措施，很少考虑接头表面质量包括热影响区组织粗大引起接头疲劳性能下降的问题。同时，现有的改善方法和技术都是针对制造中的焊接接头，用于解决制造过程中产生的应力与组织粗大问题，缺少针对服役中镁合金焊接接头的方法，可以这样说，目前既没有对使用中镁合金焊接结构的焊接接头部位进行维护保养的做法，更没有维护保养的有效技术。因此，发展一种切实可行的高效低成本的焊接接头维护保养技术尤为迫切。
在镁合金焊接结构使用过程中，对焊接接头(包括热影响区)实施循环超声冲击处理，剧烈的塑性变形，会使焊缝与热影响区表层材料产生微观组织结构变化，实现接头表面晶粒的细化及再细化。接头表面晶粒细化相当于减小了平均滑移距离，减小了在晶界上位错塞积所引起的应力集中。同时，可以消除焊接接头制造及使用过程中产生的应力，修复焊接接头由于焊接工艺、使用负荷和环境等因素造成的疲劳性能下降以及愈合使用中产生的部分微缺陷，从而延长镁合金焊接结构的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对镁合金焊接结构疲劳寿命低的难题，本发明提供了一种对服役中MB8镁合金焊接接头进行定期循环维护保养的修复工艺。
本发明的技术方案为：一种焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，该工艺镁合金焊接结构使用过程中，对焊接接头实施循环超声冲击处理，以修复焊接接头制造和使用中由于工艺、负荷和环境因素造成的表面质量与性能下降以及愈合使用中产生的部分微缺陷，从而延长使用寿命。
该工艺适用于镁合金焊接结构整个使用周期的时间段。
所述的循环是指，在镁合金焊接结构整个使用周期内这种维护保养工艺可以重复进行。
焊接接头既包括焊缝、焊趾，也包括焊接热影响区。
热影响区指母材因受热但未熔化而使组织与力学性能发生变化的区域，特指焊缝两侧1～1.5倍焊缝宽度的区域。
一种焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其步骤：(1)焊前清理：用细砂纸打磨工件焊接区域和焊丝，充分去除其表面的氧化膜；并用丙酮清洗工件焊接区域及焊丝表面以去除油污、污物；然后用干燥热风吹干静置；(2)焊接：将MB8镁合金板材采用MB3焊丝进行TIG焊接；(3)根据板材厚度与接头冲击区域选择超声冲击头形状、尺寸；板厚为5mm～7mm，选择直径2～3mm头部为半圆形的圆柱型冲击头；板厚为8mm～10mm，选择直径3～4mm头部为半圆形的圆柱型；焊缝及热影响区域采用至少4针并列冲击头，焊趾区域采用单针头；(4)对焊接接头的焊缝、焊趾及热影响区进行超声冲击处理；对焊趾实施冲击时，冲击枪沿焊方向往复进行；对焊缝实施冲击时，冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行；对焊接热影响区实施冲击时，冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸；冲击工艺：板厚为5mm～7mm，冲击速度20mm/min～25mm/min，往复冲击次数4次；板厚为8mm～10mm，冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数6次；超声冲击频率为19.5～21.5KHz；冲击电流1.0～2.0A；(5)焊接结构使用中，在疲劳寿命的1/2时停止使用，用细砂纸对焊缝及热影响区表面进行打磨清理，清除使用过程中形成的氧化皮以及其它污垢；(6)对焊接接头的焊缝、焊趾及热影响区实施循环冲击处理；对焊趾实施冲击时，冲击枪沿焊方向往复进行；对焊缝实施冲击时，冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行；对焊接热影响区实施冲击时，冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸；冲击工艺：板厚为5mm～7mm，冲击速度20mm/min～25mm/min，往复冲击次数3次；板厚为8mm～10mm，冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数4次；超声冲击频率为17.5～19.5KHz；冲击功率不小于0.6KW；冲击电流1.0～2.0A；(7)修复保养后的焊接结构自然时效12小时后重新投入使用；(8)焊接接头第一次维护保养后，可在剩余疲劳寿命的1/2时，再重复以上步骤对焊接接头进行循环冲击，循环保养和修复。
本发明所述焊趾指焊缝表面与母材的交界处。
所述热影响区指母材因受热但未熔化而使组织与力学性能发生变化的区域特指焊缝两侧1～1.5倍焊缝宽度的区域。
本发明的优点在于：可以对制造中尤其是服役中的镁合金焊接结构的焊接接头表面质量和微缺陷进行循环修复，修复焊接接头由于工艺、负荷和环境等因素造成的表面质量问题以及愈合使用中产生的部分微缺陷，从而保持焊接结构薄弱环节(焊接接头)的组织与性能，通过循环维护，延长镁合金焊接结构(尤其是对于涉及可靠性要求高的关键结构)的使用寿命。
附图说明
图1为镁合金焊接接头区域分类说明。
图2为实施例1中处理后的SEM图。
图3为对应选区的衍射花样。
图中：焊缝-1，热影响区-2，母材-3，焊趾-4。
具体实施方式
一种焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其步骤：
(1)焊前清理。用细砂纸打磨工件焊接区域和焊丝，充分去除其表面的氧化膜；并用丙酮清洗工件焊接区域及焊丝表面以去除油污、污物；然后用干燥热风吹干静置。
(2)焊接。将MB8镁合金板材采用MB3焊丝进行TIG焊接，表1为焊接工艺参数。
表1焊接工艺参数
(3)根据板材厚度与接头冲击区域选择超声冲击头形状、尺寸。板厚为5mm～7mm，选择直径2-3mm头部为半圆形的圆柱型冲击头；板厚为8mm～10mm，选择直径3-4mm头部为半圆形的圆柱型。焊缝及热影响区域采用至少4针并列冲击头，焊趾区域采用单针头。
(4)对焊接接头的焊缝、焊趾及热影响区进行超声冲击处理。对焊趾实施冲击时，冲击枪沿焊方向往复进行；对焊缝实施冲击时，冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行；对焊接热影响区实施冲击时，冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸。
冲击工艺：板厚为5mm～7mm，冲击速度20mm/min～25mm/min，往复冲击次数4次；板厚为8mm～10mm，冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数6次。超声冲击频率为19.5～21.5KHz。冲击电流1.0～2.0A。
(5)焊接结构使用中，在疲劳寿命的1/2时停止使用，用细砂纸对焊缝及热影响区表面进行打磨清理，清除使用过程中形成的氧化皮以及其它污垢。
(6)对焊接接头的焊缝、焊趾及热影响区实施循环冲击处理。对焊趾实施冲击时，冲击枪沿焊方向往复进行；对焊缝实施冲击时，冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行；对焊接热影响区实施冲击时，冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸。
冲击工艺：板厚为5mm～7mm，冲击速度20mm/min～25mm/min，往复冲击次数3次；板厚为8mm～10mm，冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数4次。超声冲击频率为17.5～19.5KHz。冲击功率不小于0.6KW。冲击电流1.0～2.0A。
(7)修复保养后的焊接结构自然时效12小时后重新投入使用。
(8)焊接接头第一次维护保养后，可在剩余疲劳寿命的1/2时，再重复以上步骤对焊接接头进行循环冲击，循环保养和修复。
本发明所述焊趾指焊缝表面与母材的交界处。
本发明所述热影响区指母材因受热(但未熔化)而使组织与力学性能发生变化的区域，本发明特指焊缝两侧1～1.5倍焊缝宽度的区域。
本发明所述的维护保养工艺，适用于镁合金焊接结构整个使用周期的时间段。其“循环”是指，在镁合金焊接结构整个使用周期内这种维护保养工艺可以重复进行。即在整个使用周期内，循环修复周期可以根据焊接结构特点及具体使用情况(包括使用环境、负荷性质、负荷大小、负荷时间等)确定。
实施例1
(1)用细砂纸打磨焊接区域和焊丝，充分去除其表面的氧化膜；并用丙酮清洗工件及焊丝表面以去除油污、污物；然后用干燥棉布将工件及焊丝表面擦干静置。
(2)将8mm厚的MB8镁合金板材采用Φ3mm的MB3焊丝进行TIG焊接。焊接工艺参数见表2。
表2焊接工艺参数
(3)选择直径3mm头部为半圆形的圆柱型冲击头。焊缝及热影响区域采用双排至少4针头冲击头，焊趾区域采用单针头。对焊接接头的焊缝、焊趾及热影响区进行超声冲击处理。对焊趾实施冲击时，冲击枪沿焊方向往复进行；对焊缝实施冲击时，冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行；对焊接热影响区实施冲击时，冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸。冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数6次。超声冲击频率为20.0KHz。冲击电流1.0A。
(4)对冲击后的焊接接头施加50Mpa正弦波形式的拉-拉交变疲劳载荷，应力比R(σmin/σmax)＝0.1，加载频率f＝110～115Hz，作用0.5×1.836186×106次(焊后冲击疲劳寿命的一半)停止负荷。
(5)用细砂纸对焊缝及热影响区表面进行打磨清理，清除使用过程中形成的氧化皮以及其它污垢。
(6)选择直径3mm头部为半圆形的圆柱型冲击头。焊缝及热影响区域采用双排至少4针头冲击头，焊趾区域采用单针头。冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数4次。超声冲击频率为18KHz。激励电流：1.0A。
(7)对焊趾实施超声冲击处理，使母材与焊缝尽量圆滑过渡。冲击枪沿焊缝方向往复进行。
(8)对焊缝实施超声冲击处理，使焊缝表面光滑、晶粒细化。冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行。
(9)对焊接热影响区实施超声冲击处理，使热影响区晶粒细化。冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸。
(10)修复保养后的焊接结构自然时效12小时。
(11)继续对循环冲击处理后的焊接接头施加50MPa疲劳载荷作用，直至断裂，记录疲劳寿命，如表3。
实施例2
(4)对冲击后的焊接接头施加55Mpa正弦波形式的拉-拉交变疲劳载荷，应力比R(σmin/σmax)＝0.1，加载频率f＝110～115Hz，作用0.5×0.763513×106次(焊后冲击疲劳寿命的一半)停止负荷。
(5)用细砂纸对焊缝及热影响区表面进行打磨清理，清除使用过程中形成的氧化皮以及其它污垢。
(6)选择直径3mm头部为半圆形的圆柱型冲击头。焊缝及热影响区域采用双排至少4针头冲击头，焊趾区域采用单针头。冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数4次。超声冲击频率为18KHz。激励电流：1.0A。
(7)对焊趾实施超声冲击处理，使母材与焊缝尽量圆滑过渡。冲击枪沿焊缝方向往复进行。
(8)对焊缝实施超声冲击处理，使焊缝表面光滑、晶粒细化。冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行。
(9)对焊接热影响区实施超声冲击处理，使热影响区晶粒细化。冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸。
(10)修复保养后的焊接结构自然时效12小时。
(11)继续对循环冲击处理后的焊接接头施加55MPa疲劳载荷作用，直至断裂，记录疲劳寿命，如表3。
实施例3
(4)对冲击后的焊接接头施加60Mpa正弦波形式的拉-拉交变疲劳载荷，应力比R(σmin/σmax)＝0.1，加载频率f＝110～115Hz，作用0.5×0.437742×106次(焊后冲击疲劳寿命的一半)停止负荷。
(5)用细砂纸对焊缝及热影响区表面进行打磨清理，清除使用过程中形成的氧化皮以及其它污垢。
(6)选择直径3mm头部为半圆形的圆柱型冲击头。焊缝及热影响区域采用双排至少4针头冲击头，焊趾区域采用单针头。冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数4次。超声冲击频率为18KHz。激励电流：1.0A。
(7)对焊趾实施超声冲击处理，使母材与焊缝尽量圆滑过渡。冲击枪沿焊缝方向往复进行。
(8)对焊缝实施超声冲击处理，使焊缝表面光滑、晶粒细化。冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行。
(9)对焊接热影响区实施超声冲击处理，使热影响区晶粒细化。冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸。
(10)修复保养后的焊接结构自然时效12小时。
(11)继续对循环冲击处理后的焊接接头施加60MPa疲劳载荷作用，直至断裂，记录疲劳寿命，如表3。
表3单次冲击与循环冲击疲劳寿命的比较
表3中“单次冲击”指在制造后对焊接接头进行了维护保养；“循环冲击”指制造中对焊接接头维护保养一次，使用中对焊接接头又维护保养一次；同样道理，可以有二次循环甚至三次循环，但实验表明多次循环效果降低。
由表3可知，经超声冲击后，MB8镁合金接头疲劳寿命显著提高，并且循环冲击后疲劳寿命也有不同程度的提高，并且承受的交变载荷越大，这种循环冲击修复的效果越显著。
图2为焊接接头循环超声冲击后表层TEM明场像，图3为对应选区的衍射花样，说明在役焊接接头经循环超声冲击后，表层晶粒仍能够细化，这也是接头性能得到改善的重要原因。

Claims (9)

1.一种焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：该工艺镁合金焊接结构使用过程中，对焊接接头实施循环超声冲击处理，以修复焊接接头制造和使用中由于工艺、负荷和环境因素造成的表面质量与性能下降以及愈合使用中产生的部分微缺陷，从而延长使用寿命。
2.根据权利要求1所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：该工艺适用于镁合金焊接结构整个使用周期的时间段。
3.根据权利要求1所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：所述的循环是指，在镁合金焊接结构整个使用周期内这种维护保养工艺可以重复进行。
4.根据权利要求1所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：焊接接头既包括焊缝、焊趾，也包括焊接热影响区。
5.根据权利要求4所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：热影响区指母材因受热但未熔化而使组织与力学性能发生变化的区域，特指焊缝两侧1~1.5倍焊缝宽度的区域。
6.根据权利要求1所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其步骤：（1）焊前清理：用细砂纸打磨工件焊接区域和焊丝，充分去除其表面的氧化膜；并用丙酮清洗工件焊接区域及焊丝表面以去除油污、污物；然后用干燥热风吹干静置；
（2）焊接：将MB8镁合金板材采用MB3焊丝进行TIG焊接；
（3）根据板材厚度与接头冲击区域选择超声冲击头形状、尺寸；板厚为5mm～7mm，选择直径2~3mm头部为半圆形的圆柱型冲击头；板厚为8mm～10mm，选择直径3~4mm头部为半圆形的圆柱型；焊缝及热影响区域采用至少4针并列冲击头，焊趾区域采用单针头；
（4）对焊接接头的焊缝、焊趾及热影响区进行超声冲击处理；对焊趾实施冲击时，冲击枪沿焊方向往复进行；对焊缝实施冲击时，冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行；对焊接热影响区实施冲击时，冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸；
冲击工艺：板厚为5mm～7mm，冲击速度20mm/min～25mm/min，往复冲击次数4次；板厚为8mm～10mm，冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数6次；超声冲击频率为19.5~21.5KHz；冲击电流1.0~2.0A；
（5）焊接结构使用中，在疲劳寿命的1/2时停止使用，用细砂纸对焊缝及热影响区表面进行打磨清理，清除使用过程中形成的氧化皮以及其它污垢；
（6）对焊接接头的焊缝、焊趾及热影响区实施循环冲击处理；对焊趾实施冲击时，冲击枪沿焊方向往复进行；对焊缝实施冲击时，冲击枪沿与焊缝垂直方向往复进行；对焊接热影响区实施冲击时，冲击以焊缝为中心线，平行于焊缝，并向两边平行延伸；
冲击工艺：板厚为5mm～7mm，冲击速度20mm/min～25mm/min，往复冲击次数3次；板厚为8mm～10mm，冲击速度15mm/min～20mm/min，往复冲击次数4次；超声冲击频率为17.5~19.5KHz；冲击功率不小于0.6KW；冲击电流1.0~2.0A；
（7）修复保养后的焊接结构自然时效12小时后重新投入使用；
（8）焊接接头第一次维护保养后，可在剩余疲劳寿命的1/2时，再重复以上步骤对焊接接头进行循环冲击，循环保养和修复。
7.根据权利要求6所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：本发明所述焊趾指焊缝表面与母材的交界处。
8.根据权利要求6所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：所述热影响区指母材因受热但未熔化而使组织与力学性能发生变化的区域特指焊缝两侧1~1.5倍焊缝宽度的区域。
9.根据权利要求6所述焊接接头进行维护保养的循环超声冲击工艺，其特征在于：所述疲劳寿命是指标准试样在特定的交变载荷作用下断裂前的寿命。
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