基于试验标定了不锈钢材料小孔法应力测试的应变释放系数,测试了6 mm304L不锈钢退火态试板超声冲击前后的应力以及氩弧焊对接接头超声冲击处理前后的应力,研究了超声冲击处理对不锈钢横向和纵向焊接残余应力的影响效果,分析了超声冲击应力和焊接残余应力的叠加效果。结果表明,超声冲击无应力304L试板后在其表面形成幅值达250 MPa分布均匀的压缩应力;焊接接头冲击区域由残余拉应力变为残余压应力,焊趾的应力集中现象消除;超声冲击后的应力状态与初始应力分布相关,且焊接接头超声冲击后应力不是焊接残余应力跟超声冲击应力线性叠加。

焊接过程由于高度集中的瞬时热输入,不均匀的快速加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩,从而引起焊接应力和各类焊接变形。焊接接头内部残余应力的存在和外部介质、各种载荷的综合作用会降低焊接结构的承载能力、疲劳强度并导致应力腐蚀开裂等等。因而减少和控制焊接残余应力是保证焊接结构服役安全性的关键环节。

研究人员提出了诸多行之有效地调控焊接残余应力的方法,如焊后热处理、振动时效和各种表面处理方法。其中,超声冲击处理(UltrasonicImpactTreatmentUIT)利用超声波振动驱动冲击针高速撞击工件表面,使工件表面产生塑性变形和可能的残余压应力,是一种能显著提高结构疲劳性能的表面强化技术。该技术用于调控焊接残余应力的能力近年来逐渐受到关注。目前超声冲击处理技术已经应用于船舶、海洋平台、桥梁和汽车等重要领域。

但是超声冲击处理的应用和研究大多集中于碳钢、铝合金和钛合金材料的焊接结构。最近几年,由于不锈钢焊接在核电、化工等重要行业中的应用广泛,超声冲击处理对不锈钢焊接结构残余应力、疲劳性能、抗腐蚀能力的影响受到工程人员越来越多的重视。不锈钢材料的加工硬化现象严重,焊接及超声冲击处理后的应力测试困难。文中先进行试验获得304L不锈钢小孔法应力测试的应力释放系数,然后基于标定系数测试304L不锈钢焊接接头超声冲击前后的应力,并和无应力状态下超声冲击处理304L不锈钢母材的应力状态比较,研究超声冲击对304L不锈钢焊接残余应力的影响。

1试验材料与方法

1.1焊接

母材为304L不锈钢,尺寸为150mm×300mm×6mm,焊接方法为手工氩弧焊,坡口角度为50°±5°,装配间隙为2~4mm,熔敷金属材料为E308L3道焊接。焊接过程中试板背面采用氩气保护。焊接工艺参数如表1所示。测试得到母材室温屈服强度为303 MPa,焊缝金属室温屈服强度为460MPa

1.2应变释放系数标定

不锈钢材料加工硬化现象严重,采用小孔法测试应力时,钻孔过程的塑性应变和硬化现象对测试结果也影响较大。因此,采用小孔法测试不锈钢材料中的应力时不能参考碳钢材料的应变释放系数(AB系数)或者有限元标定的释放系数,需要对应变释放系数进行仔细标定。

本文开展不锈钢材料小孔法应力测试的标定试验。标定试样所用材料与焊接试验材料均为304L不锈钢,根据CB3395-92标准[16]设计试样尺寸,如图1所示,试样精加工后为保证无应力状态进行去应力退火处理。

标定应变释放系数AB时,一般规定外加应力不超过材料屈服强度σs1/3,这主要是考虑高应力下的应力集中效应,避免孔边塑变引入的误差。本文标定试验所用最大应力为120MPa。粘贴好应变花(5个位置以保证重复性)后,通过拉伸试验机施加分级加载单向外载荷,记录应变值;分级加载卸载后,取下试样钻孔后再次分级加载,将钻孔后的应变减掉钻孔前的应变得到应变量的变化值。

1.3焊接应力测试及接头超声冲击

焊接试验完成后,采用小孔法测试焊后残余应力。钻孔设备为ZDL-Ⅱ型钻孔仪和CML-1H-16型应变采集仪;应变花型号为BSF120-1.5CA-T,名义电阻120Ω,灵敏系数2.07;钻孔直径1.5 mm,钻孔深度2mm

焊后应力测试后,对正反两面的焊缝及部分母材区域进行超声冲击处理,冲击参数为10s/cm 2。所用超声冲击机型号为JSKD-D型,超声频率20kHz,冲击头含4针头,冲击针直径3 mm

超声冲击完成后采用小孔法测试冲击区域的应力。焊后应力测试区域和超声冲击区域如图3所示。

1.4退火试样超声冲击及应力测试

为了研究超声冲击本身造成的应力状态,测试了退火处理试板超声冲击处理前后的应力。测试材料为304L母材,在900℃下保温2h进行去应力退火处理。无应力试样的超声冲击参数与焊接试板冲击参数相同,超声冲击处理前后采用小孔法测试应力。

2试验结果及讨论

2.1标定应变释放系数

标定试验中的应变值包括了钻削应变、孔边塑性变形等因素,因此标定的应变释放系数包含了这些误差因素。考虑到进行残余应力测量繁琐的塑性区修正从工程使用意义上讲并不是必要的,因此本文标定的应变释放系数具有工程意义。

2.2无应力试样超声冲击处理前后应力值

采用标定的应变释放系数测试得到退火态304L试板超声冲击前后的应力如图5所示。可看出,经退火处理后各测试点各方向的残余应力几乎一致,平均残余应力为3.5 MPa,考虑到小孔法的测试误差,退火处理后试板内几乎没有应力。经超声冲击冲击之后,各测试点各方向应力均为幅值大于200MPa的压应力,峰值压应力达-326MPa,平均压应力达到-262MPa。可以认为无应力状态不锈钢试板经超声冲击后,各方向应力都为250MPa左右的压应力,且分布均匀。测试的应力结果超过了304L不锈钢母材的室温屈服强度,这可能是钻孔加工硬化造成的。文献研究认为小孔法适用于不锈钢材料高残余应力区的测量。

2.3焊接试板超声冲击前后应力

304L不锈钢对接焊试板超声冲击处理前后上下表面的应力测试结果如图67所示。σx和σy分别表示纵向(沿焊缝方向)和横向(垂直焊缝方向)残余应力。

上表面焊接区及邻近区域的纵向应力和横向应力都为拉伸应力,纵向拉应力峰值出现在焊趾附近,达400MPa。远离焊缝中心40mm区域的上表面横向残余应力呈现压缩应力,但纵向应力仍然为较小的拉伸应力。下表面纵向拉伸应力峰值也出现在焊趾附近,但峰值拉应力比焊缝上表面低100MPa左右,大部分测试点的横向残余应力表现为残余压应力,且幅值较小。文中的焊接过程采用背面氩气保护,相当于对保护区域具有热沉作用,使金属升温过程中压缩塑性应变减小,冷却过程中的拉伸塑性应变增大,造成残余应力降低[18]。图67中阴影范围表示冲击区域。可看出,经超声冲击处理后,上表面冲击区域横向和纵向应力都转化为-200~-500MPa的压缩应力,下表面冲击区域横向和纵向应力都为-100~-400 MPa的压缩应力,说明超声冲击处理对横向和纵向拉应力具有等效作用。从图67中也可以看出,超声冲击后,焊趾附近的应力集中现象也得到了消除。

比较图5、图6和图7可以看出,退火态试样(初始应力基本为0)冲击后压应力分布均匀,但焊接态试样(不均匀初始拉伸应力)冲击后压应力分布不均匀,可以认为超声冲击压应力分布与初始应力状态相关。

将焊接残余应力与无应力状态超声冲击产生的应力线性叠加,记为σM(纵向应力)和σN(横向应力)画在图67中。可看出,超声冲击焊缝及其附近区域所产生的高压缩应力并不是焊接残余应力与超声冲击产生应力的简单线性叠加。

3结论

1)标定获得304L不锈钢材料小孔法应力测试的应变释放系数A=1.29×10-6 MPa-1B=2.06×10-6MPa-1。采用该系数基于小孔法测试不锈钢焊接应力和超声冲击处理后的应力。

2)无应力状态不锈钢试板经超声冲击后,表面获得分布均匀的幅值约为250MPa左右的压应力。

3304L不锈钢氩弧焊对接接头上下面经超声冲击处理后,焊趾附近的应力集中现象也得到消除;表面冲击区域的横向和纵向应力拉应力都转化为-100~-500MPa的压缩应力,超声冲击处理对横向和纵向拉应力具有等效作用。

4)超声冲击处理后的压应力分布与初始应力状态相关。超声冲击焊缝及其附近区域所产生的高压缩应力并不是焊接残余应力与超声冲击应力的简单线性叠加。