超聲沖擊技術(shù)原理

2A12 高強鋁合金具有質(zhì)輕、價廉及良好的加工和低溫力學性能, 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力的影響

焊接殘余應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力進行了測試分析。采用X 射線應力測試技術(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 個測點的殘余應力值都比較大, 最大值為127MPa, 焊趾處殘余應力值為- 35 MPa, 母材2 個測點的殘余應力為- 12MPa和3 MPa, 符合一般的焊接接頭殘余應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個測點的殘余應力都變?yōu)閴簯? 最大壓應力為- 133 MPa, 最小壓應力為- 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力, 形成有利的殘余壓應力層。

( 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力的大幅降低都將對提高焊接接頭的抗疲勞和抗應力腐蝕性能有重要的作用。