张 敏,张志强,雷龙宇,杜明科,王新宝,李 毅

(西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048)

摘 要:对30CrMnSiNi2A钢3次补焊接头焊趾区域进行超声冲击处理,通过组织观察、拉伸 试验、硬度测试和残余应力测试等方法研究了超声冲击对补焊接头显微组织、力学性能和残余应力 的影响。结果表明:超声冲击使得在距离补焊接头表面约100μm 区域产生晶粒细化和塑性变形; 由于超声冲击影响层的厚度与补焊件相比较小,因此超声冲击对补焊接头拉伸性能的影响不大;超 声冲击使得补焊接头表面的显微硬度显著提高,这与补焊接头表面产生的晶粒细化和位错运动阻 力增大有关;超声冲击可将补焊接头在多次补焊过程中累积的残余拉应力转化为残余压应力。

关键词:超声冲击;30CrMnSiNi2A钢;补焊;显微组织;力学性能 中图分类号:TG407 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)04-0001-06

0 引 言

30CrMnSiNi2A钢属于中碳调质钢,具有较高 的强度、韧性和较好的焊接性能,是一种性能优良的 航空结构材料,广泛应用于机身隔框、起落架和发动 机架等飞机结构件中[1]。这类飞机结构件主要采用 焊接方法进行连接,在长期的服役过程中,焊接接头 表面会在交变载荷和复杂应力场作用下萌生裂纹, 极大降 低 结 构 件 寿 命,严 重 影 响 飞 机 的 运 行 安 全[2-4]。补焊是修复焊接接头缺陷的一种有效手段, 在工程实际中经常会对焊接接头进行多次补焊以延 长其使用寿命[5]。但多次补焊会使构件的原始焊 接接头受到多次热循环,从而积累拉应力,降低构件 的服役性能[6-7]。 为降低焊接件的表面残余拉应力,减小裂纹扩 1 张 敏,等:超声冲击对30CrMnSiNi2A钢补焊接头显微组织和性能的影响 展可能性,工程上一般采用退火方式进行处理。而 对于一些无法进行热处理的情况,如飞行器的停场 维修和仪器设备的现场抢修等,一般利用超声冲击 方式对焊接接头进行消应力处理。所谓超声冲击, 就是利用大功率超声波推动一个冲击头对材料表面 进行高频冲击,使其产生塑性变形、细化表面晶粒并 引入压应力,从而抵消残余拉应力的一种消应力方 法[8-10]。目前,国内外已有较多学者研究了超声冲 击对焊接接头性能的影响,并取得了较为丰硕的成 果。ZHENG等[11]对304L不锈钢T型焊接接头进 行了超声冲击有限元模拟,发现超声冲击产生的最 大压应力超过了材料的压缩屈服强度,并且超声冲 击对残余应力的影响随着深度的增加而减弱,表明 利用超声冲击改善焊接接头性能是可行的。许良 等[12]对30CrMnSiNi2A钢表面进行超声冲击处理, 发现冲击后的表面存在高密度位错结构,阻碍底部 的位错在交变应力作用下向表面滑移,同时也会使 裂纹在不同取向的各个晶粒间传播变得更加困难, 从而提高其力学性能。HE等[13]对SMA490BW 钢 焊接接头进行超声冲击处理,发现超声冲击能使焊 趾表层产生严重的塑性变形,多次冲击会加剧表层 的塑性变形,使得晶粒更加细化;其表面晶粒细化机 制可能与 位 错 缠 结 和 高 密 度 位 错 壁 有 关。LIU 等[14]对超声冲击的研究表明,冲击头直径越小、电 流越大,单位面积内的冲击动能越大,冲击影响层厚 度越大。另外,也有学者研究了超声冲击对残余应 力的影响。谢国福等[15]对304L不锈钢焊接接头进 行了超声冲击消应力处理,发现超声冲击后的应力 状态与初始应力分布相关,且超声冲击后的应力不 是焊接残余应力与超声冲击产生的压应力的线性叠 加。朱海洋等[16]分别对不锈钢和高强钢焊缝及母材 进行了超声冲击处理,结果表明冲击区域及其附近都 产生了较大压应力,应力集中也被消除,冲击后 Q460 高强钢接头焊趾区域的表面更加光滑。MA 等[17] 对Q345钢接头的热影响区及焊趾进行了不同参数 下的超声冲击试验,结果表明超声冲击对残余应力 的降低幅度可达80%~130%,并引起较大的塑性 变形,提高超声冲击的电流可以提高残余应力降低 程度,并在焊趾处形成平滑过渡。 目前对于焊接接头进行超声冲击的研究较多, 但对于30CrMnSiNi2A 钢补焊接头的超声冲击研 究较少。受多次焊接热循环影响,补焊接头的组织 演变 及 残 余 应 力 分 布 更 加 复 杂。因 此,作 者 对 30CrMnSiNi2A钢3次补焊接头进行了超声冲击处 理,研究了超声冲击对补焊接头显微组织、力学性能 和残余应力的影响,为超声冲击处理在补焊接头中 的应用提供数据支撑和研究依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为尺寸?68mm×150mm×12mm 的30CrMnSiNi2A 钢管,原始焊接选用直径4mm HTJ-3焊条作为填充材料,补焊选用直径4~5mm 的 HTG-1镍基高温合金焊条。母材和填充金属的化 学成分如表1所示。 原始焊接接头以及补焊接头均采用手工电弧焊。 原始焊接取上述尺寸的30CrMnSiNi2A钢管进行对 接焊,坡口为Y型坡口,间隙为2~3mm,钝边为2~ 3mm,坡口角度为60°~75°,焊接2层,焊接电流为 150~160A,焊后进行650~680℃回火处理,保温时 间为60~80min。原始焊接完成后进行3次挖除与 补焊,补焊接头形状和尺寸如图1所示。 图1 补焊接头形状和尺寸 Fig.1 Shapeandsizeofrepairweldingjoint 表1 母材和填充金属的化学成分 Table1 Chemicalcompositionofbasemetalandfillermetal 材料 质量分数/% C Si Mn Cr Ni Al Mo Fe 母材 0.27~0.34 0.90~1.20 1.00~1.30 0.90~1.20 1.40~1.80 余 HTG-1焊条 0.08 0.75 0.20 21.0 余 0.20 0.95 HTJ-3焊条 0.15 0.95 1.50 0.90 1.50 0.95 余 2 张 敏,等:超声冲击对30CrMnSiNi2A钢补焊接头显微组织和性能的影响 采用车削的方式对原始焊接接头进行挖除,挖 除深度及宽度均为原始焊缝尺寸的50%。补焊填 充2层,焊接电流为140~180A。待冷却至室温 后,使用 HY2050型焊接应力消除设备对补焊焊缝焊 趾处5~10mm宽的区域(如图2所示)进行2次超 声冲击处理,冲击头直径为2mm,输出频率为17~ 22kHz,输出电流为1A,冲击时间为3min。冲击时 需用夹具固定补焊接头。在实际冲击过程中,输出 图2 超声冲击位置示意 Fig.2 Schematicofultrasonicimpactposition 电流会随着实际工况在1A附近浮动变化。 超声冲击处理后,采用线切割方法制备金相试 样、硬度和拉伸性能试样,取样位置如图3(a)所示。 其中金相试样和硬度试样的尺寸均为40 mm× 10mm×10mm,硬度测试位置如图3(b)所示,拉伸 性能试样的形状与尺寸如图4所示。金相试样经打 磨、抛光后,用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀母材, 用由1gFeCl3 和10mLHCl组成的溶液腐蚀补焊焊 缝,采用OLYMPUS-GX71型光学显微镜观察显微组 织。采用B-500MET型体视显微镜观察补焊接头的 宏观形貌。采用 HVS-1000A/B型数字维氏硬度计 对补焊接头进行硬度测试,测试点间隔为0.2mm,试 验力为4.9N,保载时间为10s,使用 Origin软件将 该区域测试点硬度绘制为二维云图。按照 GB/T 24179-2009,采用 BZ22206型静态电阻应变仪对 超声冲击前后的补焊接头进行残余应力测试。按照 GB/T228.1-2010,采用 HT-2402型电子万能试 验机进行拉伸试验,拉伸速度为2mm·min-1。 图3 不同试样取样位置及残余应力和硬度测试区域示意 Fig 3 Schematicofsamplinglocationsofdifferentspecimensandresidualstressandhardnesstestarea a samplinglocationandresidualstresstestareaand b hardnesstestarea 图4 拉伸试样形状与尺寸 Fig.4 Shapeandsizeoftensilespecimen

2 试验结果与讨论

2.1 对形貌和显微组织的影响

由图5可见,超声冲击后30CrMnSiNi2A 钢3 次补焊接头的焊趾处过渡平缓,焊缝表面未出现气 孔、夹渣和裂纹等缺陷。与冲击前相比,超声冲击后 补焊接头上表面两侧被冲击区域内出现了 1~ 2mm深的冲击坑,其直径与冲击头的直径相近,冲 击坑在焊趾处分布均匀,露出金属光泽,焊接接头表 面未发现气孔、裂纹和焊瘤等缺陷。 由图6可见:超声冲击前,30CrMnSiNi2A 钢 3次补焊接头焊趾区域的表层晶粒较为粗大,且焊缝 3 张 敏,等:超声冲击对30CrMnSiNi2A钢补焊接头显微组织和性能的影响 图5 超声冲击前后补焊接头表面的宏观形貌 Fig 5 Macromorphologyofrepairweldingjointsurfacebefore a andafter b ultrasonicimpact 图6 超声冲击前后补焊接头焊趾的显微组织 Fig 6 Microstructureofweldtoeofrepairweldingjointbefore a-b andafter c-d ultrasonicimpact a c atlowmagnification and b d athighmagnification 表面不平整,焊趾两侧过渡不平缓,在焊趾右侧存在 凸起,这些都会导致应力集中;原始焊接接头经过3 次补焊后,焊趾区域的马氏体及铁素体晶粒在多次 焊接热循环的作用下变得粗大,随后在快速冷却过 程中形成了以铁素体和针状马氏体为主的双相组 织[18]。超声冲击后,被冲击部位表层出现了深度约 为50μm的晶粒细化区,且在晶粒细化区下方出现 了深度约为53μm的塑性变形区;晶粒细化区的晶 粒尺寸小于塑性变形区的晶粒尺寸,且部分铁素体 晶粒发生了显著的塑性变形,呈扁平状;塑性变形区 内晶粒细化程度较小,但仍发生了一定的塑性变形, 形成了以多边形和扁平状为主的晶粒形貌。相比于 未超声冲击,超声冲击后铁素体晶粒明显细化,并且 在超声冲击产生的压应力作用下由等轴状变为扁平 状,这说明超声冲击不仅可以细化材料表面的晶粒, 还能够使材料内部产生塑性变形。 30CrMnSiNi2A钢3次补焊接头在超声冲击输入 的能量作用下表层形成位错,位错在多次冲击的能量 的作用下持续增殖,不断运动并形成位错墙,位错墙 分割原始粗大的晶粒,形成小角度晶界和亚晶界,从 而在材料表面形成等轴状或扁平状的细小晶粒组 织[13,19]。晶粒的细化使得材料的各项力学性能有所 提高。超声冲击作用于晶粒细化区的能量较高,在冲 击能量不断地作用下一部分能量先使铁素体进行滑 移和变形,当铁素体中位错密度无法继续提高时,塞 积位错将向马氏体中扩展[20];作用于塑性变形区的 能量较弱且由于马氏体组织强度更高,因此马氏体仅 发生塑性变形。超声冲击产生的较高能量则能够将 4 张 敏,等:超声冲击对30CrMnSiNi2A钢补焊接头显微组织和性能的影响 补焊后不稳定的高能态转化为稳定的低能态,使得焊 接接头的晶粒尺寸和分布均发生变化。

2.2 对拉伸性能的影响

超声冲击前,30CrMnSiNi2A 钢3次补焊接头 试样的屈服强度和抗拉强度分别为663,981MPa, 冲击后补焊接头试样的屈服强度和抗拉强度分别为 675,989MPa。可见超声冲击后接头强度虽然有所 提高,但提升程度较小,这与强化层厚度和超声冲击 工艺有关。由于超声冲击仅对材料表面及表面以下 100μm左右深度有一定作用,超声冲击影响层的厚 度与构件整体相比较薄,因此对构件整体力学性能 的影响较小[20]。此外,研究中仅对补焊接头的焊趾 部位进行了超声冲击处理,冲击区域较小,接头区域 的应力分布及显微组织的塑性变形区域较小,因此 对试样整体强度的影响较小。李占明等[21]对焊接 接头进行了全覆盖超声冲击处理,这才在较大程度 上提高了其整体强度。

2.3 对硬度的影响

由图7可见,超声冲击前热影响区平均硬度约 为314.0HV,焊缝区域平均硬度约为157.0HV。 受补焊区填充金属成分的影响,焊缝区形成了粗大 的柱状晶组织,使得焊缝硬度远低于热影响区。超 声冲击后焊缝区域的平均硬度较超声冲击前提高了 33.3HV,热影响区表面的平均硬度较超声冲击前 提高了85.0HV。表面硬度提高的机理是表层晶粒 发生细化,以及焊趾表面发生塑性变形从而产生位 错,位错之间发生交割、缠结等,提高了位错运动的 阻力;此外,由超声波诱发奥氏体转变为马氏体也会 导致表面硬度提高[22],但诱发相变所需的能量较 高,故试验中马氏体对于硬度提高的贡献较少。 图7 超声冲击前后补焊接头截面硬度云图 Fig 7 Nephogramofhardnessofrepairweldingjointsectionbefore a andafter b ultrasonicimpact

2.4 对残余应力的影响

由前文可知,超声冲击后焊趾表面有明显的冲 击坑,产生了塑性变形区,这意味着超声冲击破坏了 原来的应力平衡状态,对焊接接头表面的残余应力 产生了较大影响[23]。冲击前30CrMnSiNi2A 钢3 次补焊接头表面的纵向残余压应力为13.13MPa, 横向残余拉应力为18.62MPa,这与多次补焊过程 中焊接热循环引起的金属收缩和微观应力(相变应 力)有关。补焊接头经超声冲击处理后,焊趾处残余 拉应力全部转变为残余压应力,纵向残余压应力为 20.36MPa,横向残余压应力为0.66MPa。超声冲 击改善残余应力分布的机理主要包括两方面:一方 面是由于高能的超声波诱发了奥氏体向马氏体的转 变,造成体积膨胀,使得周围产生压应力,从而抵消 了拉应力[24];另一方面是由于焊缝金属的收缩大于 母材金属的收缩,造成残余拉应力的产生,而这种拉 应力是一种高能的不稳定态,在超声冲击作用下转 变为低能态,形成的塑性变形释放了残余应力并使 其趋于均匀化[25]。由于试验只对焊趾区域进行了 超声冲击处理,输入能量较低,难以产生较大的塑性 变形,而诱发相变所需的能量较高,因此试验接头应 力分布状态的改善以改变残余应力的能量状态为 主。超声冲击处理后,焊趾区域的残余应力分布得 到了较大的改善,这会减少残余应力集中导致的应 力腐蚀开裂,还有利于提高补焊接头的疲劳性能。 3 结 论

(1)对30CrMnSiNi2A钢3次补焊接头的焊趾 区域进行超声冲击,在冲击区域距表面约100μm 范围内出现晶粒细化区和塑性变形区,形成等轴状 或扁平状的细小晶粒组织。 (2)超声冲击对30CrMnSiNi2A钢补焊接头拉 伸性能的影响较小,补焊接头表面的晶粒细化直接 导致其表面显微硬度显著提高。 5 张 敏,等:超声冲击对30CrMnSiNi2A钢补焊接头显微组织和性能的影响 (3)超声冲击后30CrMnSiNi2A钢补焊接头表 面的横向与纵向残余应力都发生了显著变化,横向 残余应力由拉应力转变为压应力,纵向残余压应力 则增加了7.23MPa。

来源：材料与测试网