利用激光冲击强化对12Cr2Ni4A不锈钢焊接接头进行处理,比较了激光冲击一次和二次前后焊接接头拉伸性能、显微硬度和表面残余应力.结果表明,12Cr2Ni4A焊接试件经过二次激光冲击强化后,显微硬度提高了50%,抗拉强度由818.5MPa提升至863.8MPa,并且断裂区域由焊接热影响区转移至基体处,焊接试件的拉伸性能显著提高.激光冲击强化消除的焊接残余拉应力是焊接接头拉伸性能提高的主要原因.

焊接修复是废旧设备翻新改造的常用方法和有效途径之一.凡是通过局部加热来达到连接金属的方法,不论是熔化焊或是固态焊接(如电阻对焊、摩擦焊),焊缝附近的母材都同时被加热到高温.由于这种焊接条件下加热的瞬时性和局部性使得焊缝附近的母材在焊接时受到了一种特殊的热循环作用,其特点为升温速度快,冷却速度快.焊接时加热的另一个特点是热场分布极不均匀,离焊缝越近,母材被加热到峰值的温度越高,紧靠焊缝的高温区内接近熔点,远离焊缝的低温区接近于室温;而且,峰值温度愈高的部位,加热速度也愈大,冷却速度愈大.因此,可以认为,焊接过程中,在形成焊缝的同时,不可避免地在其附近的母材内,经历了一次焊接热循环的特殊热处理,因而形成了一个组织和性能均不同于母材的焊接热循环区.焊接热影响区本身是一个组织和性能极不均匀的区域,其中一些组织和性能变坏了的部位往往成为整个焊接接头中最薄弱环节,对焊接质量起着控制作用.很多焊接结构的破坏事故都与其焊接热影响区的性能恶化有关,工程应用中必须采用焊接后处理来消除焊接残余应力.国内常用的焊接后处理方法是热处理、过载处理、振动法调整残余应力处理、锤击处理、爆炸消除应力处理、温差拉伸法消除焊接残余应力。

激光冲击强化(lasershockprocessing)是一种新型的材料表面改性处理技术,其原理是用激光诱导等离子体爆炸产生爆轰波的力学效应进行材料表面强化。激光冲击爆炸会产生爆轰波,在其作用下金属材料呈现类似流体的规律,金属会在残余应力场的导向(或者说是叠加的结果)下发生流变,在压应力区产生压缩塑性变形,在拉应力区产生伸长塑性变形。冲击波在构件中反复多次传播后,将逐渐衰减为弹塑性应力波,弹塑性应力波与残余应力叠加,当叠加后的应力超过材料的动态屈服强度时,同样会使残余应力得到消除,或降低焊接接头的应力集中程度,重新调整焊接残余应力场,并可使焊接接头附近一定厚度的金属得以强化。由于激光光斑大小和位置可精确控制,因此激光冲击强化能够处理一些复杂的焊接构件,并且可通过调整激光冲击次数、冲击区域和冲击角度实现对焊接残余应力精确消除,目的性实现细化焊接区域晶粒,产生残余压应力。2001年美国利弗莫尔国家重点试验报道,激光冲击强化用于核废料储存容器焊缝的处理,可改善核反应器的安全性与可靠性,延长反应器零件的工作时间,从而使沸水反应器和压力水反应器具有更长的服役时间和更低的运行成本。

激光冲击强化对焊接区域的影响,国内在一些材料上开展了研究。文中通过对12Cr2Ni4A钢焊缝组织进行了不同工艺的激光冲击强化试验,得出激光冲击强化可以有效提升焊接接头拉伸性能。

1.试验方法

试验母材为12Cr2Ni4A,该钢是一种优良的马氏体不锈钢,高淬透性,经渗碳并淬火加低温回火后,表面具有很高的硬度且心部强度好,韧、塑性好,在航天航空等领域有广泛的应用。

为了尽可能的避免焊接缺陷,提高焊接接头的性能,在焊接前对试件进行如下处理:(1)用细砂纸打磨试件,除去试样表面和侧面的油污和铁屑层;(2)用丙酮清洗试件表面,再用酒精擦洗干净试件;(3)风干或用电吹风吹干试件。

焊接材料选择日本进口牌号为NAK80合金材料.焊接设备为LHM.50逆变式精密微束等离子焊机.焊接采用堆焊,喷嘴根据修复区域的形状作相应运动,原理为等离子弧在基底(或前一层)上熔出熔池,在送丝机构的控制下将填充金属丝连续送入熔池,液态金属凝固后形成成形轨迹,并在相邻两条成形轨迹间相互搭接,直至完成一个截面,随后将喷嘴提高一个层高,继续进行下一个截面的成形,如图3所示.具体的工艺参数:维弧电流为28A,保护气流量为1.5L/min,脉冲频率为2Hz,焊接速度为

5cm/s.

使用空军工程大学与西安天瑞达公司、北京镭宝公司最新合作研制的激光冲击强化设备:YSSL.D25Z固体激光器,如图4所示.冲击强化参数为:激光波长1064nm,脉冲能量6.25J,冲击光斑直径3mm;选取水作约束层,铝箔作保护涂层,厚度为1mm;光斑搭接50%;单面冲击,冲击区域覆盖焊缝和热影响区(5).由于焊缝和热影响区存在焊接应力,为改善焊接残余应力场,彻底消除热影响区的焊接残余拉应力,并形成稳定的残余压应力,确定分别对焊接件焊接区域实行一次冲击和二次冲击两种方案.

2.试验结果与分析

对不同激光冲击工艺参数的焊接试件进行拉伸试验,分别从硬度和残余应力分析激光冲击强化提高焊接接头力学性能的原因.

2.1.拉伸试验结果

拉伸试验在WDW.100万能试验机上进行,试验数据如表1所示.

由试验结果可知,12Cr2Ni4A材料焊接后,焊接接头热影响区力学性能下降,抗拉强度由860.7MPa降低至818.5MPa.采用激光冲击作为焊接后处理技术后,12Cr2Ni4A材料焊接接头的力学性能有所回升,一次冲击后抗拉强度提升至842.6MPa,二次冲击后提升至863.8MPa,与基体860.7MPa相当.一次冲击后疲劳破坏点还位于热影响区,但二次冲击后就位于基体处,说明二次激光冲击强化可显著提高焊接接头的力学性能.

2.2.硬度和残余应力分析

硬度测试设备使用HVS.1000型显微硬度计,采用的方法是静态压痕法.残余应力测试采用X.350AX射线应力测定仪,测量方法采用侧倾固定.,交相关法定峰;辐射为Crk.,衍射晶面211,2.角扫描162.1.~151.,2.角扫描步距0.1.,计数时间0.30s;X光管电压22kV,X光管电流6mA;准直管直径2mm.

焊接热影响区的硬度主要决定于被焊钢材的化学成分和冷却条件,其实质反映了不同的金相组织和性能.焊缝的显微硬度平均值为391HV,热影响区为380HV;激光冲击强化后焊缝维氏硬度平均值为592HV,热影响区为487HV,均较冲击强化前有大幅度提高(2).残余应力测试数据见表3.焊接后,在测试点焊接头处残留着焊接残余拉应力,约为145MPa.激光冲击强化处理后,焊接残余拉应力消失,转变为884MPa的压应力.

焊接接头疲劳时,由于疲劳损伤的局部性及材料微观组织和残余应力分布的不均匀性,机械载荷与残余应力叠加可能大大加速疲劳在某些局部的损伤.Shuter-Geary观察到过载残余塑性导入引起的裂纹扩展闭合的机制,冲击产生的瞬时有向(轴向)残余塑性在裂尖或缺陷前沿形成一个过塑性区,大小与缺陷尺寸相关,缺陷尺寸越大过塑性区越大,克服该塑性区需要的时间或载荷也越大.一方面在裂尖或缺陷前沿导入压应力从而减缓后续疲劳损伤.另一方面,有向残余塑性导入使材料损伤沿轴向的扩展受到扼制,使材料微观组织和应力分布有序化,从而使疲劳寿命分散性降低.同时,拉应力是钝化膜破坏的起因,又阻止裂尖钝化膜的修复,并在裂尖造成应力集中.

3..

激光冲击强化处理可以改善焊接接头金属的力学性能和微观组织,大幅度提高焊缝和热影响区的硬度,消除残余拉应力,提高焊接接头的拉伸性能.二次激光冲击强化后的12Cr2Ni4A焊接试件力学性能接近于新品试件,它符合.再制造工程.发展的要求,是对先进制造技术的补充和发展,并使其产品全寿命周期管理得到延伸和创新,是实现可持续发展的重要技术途径.