榮 豪，周 偉，陳 輝，張衛(wèi)華

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；3.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

超聲沖擊對(duì)SMA 490BW耐候鋼焊接殘余應(yīng)力的影響

榮 豪1，周 偉2，陳 輝2，張衛(wèi)華3

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；3.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

對(duì)SMA 490BW耐候鋼進(jìn)行氣保焊焊接，利用超聲沖擊設(shè)備對(duì)焊接對(duì)接接頭進(jìn)行超聲處理，并通過(guò)盲孔法對(duì)超聲沖擊前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試及分析。結(jié)果表明，超聲沖擊對(duì)于焊縫及其附近區(qū)域殘余應(yīng)力的降低效果十分明顯，橫向殘余應(yīng)力消除率最高達(dá)161%，縱向殘余應(yīng)力最高達(dá)118%；超聲沖擊處理后，同一位置縱向殘余應(yīng)力消除率較橫向殘余應(yīng)力要大。

超聲沖擊；盲孔法；殘余應(yīng)力；耐候鋼

0 前言

高速列車轉(zhuǎn)向架采用焊接方法組裝，焊接殘余應(yīng)力是幾乎無(wú)法避免的缺陷[1]。焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱之為焊接應(yīng)力，按作用時(shí)間可分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接過(guò)程中，某一瞬時(shí)的焊接應(yīng)力稱之為焊接瞬時(shí)應(yīng)力，它隨時(shí)間而變化。焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱之為焊接殘余應(yīng)力。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，焊接殘余應(yīng)力和變形是影響結(jié)構(gòu)斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。焊接殘余應(yīng)力大大降低了焊接部位材料有效比例極限，是結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的主要原因之一[2]。在焊件服役過(guò)程中[3]，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和其所受載荷引起的工作應(yīng)力相互疊加，使之產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，這不但會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和高溫蠕變開(kāi)裂的能力。許多災(zāi)難性破壞事故大多是由于結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力引起的[4]。因?yàn)楹附庸逃械臍堄鄳?yīng)力存在，機(jī)車轉(zhuǎn)向架焊接后若有較大的拉伸應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致機(jī)車行車安全存在極大的隱患，故需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ń档秃拖龤堄鄳?yīng)力。

工廠常常采用熱處理退火、拋丸等辦法來(lái)降低和消除焊接殘余應(yīng)力，但熱處理爐子占地大，退火能耗高，時(shí)效周期較長(zhǎng)，有煙氣粉塵廢渣排放，費(fèi)用較高；而拋丸設(shè)備費(fèi)用高、處理成本高、工作時(shí)間長(zhǎng)、拋丸回收和噴丸傷人等缺點(diǎn)。I.K.Vagapov等人通過(guò)對(duì)焊接板材經(jīng)過(guò)熱處理后和超聲沖擊后殘余應(yīng)力分布的對(duì)比研究后得出結(jié)論，超聲沖擊是一種有效的降低殘余應(yīng)力水平的方法[5]。由于焊接殘余應(yīng)力往往是由于焊接過(guò)程中的受熱不均勻而導(dǎo)致的應(yīng)力場(chǎng)重新分布，焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力較集中的部位是靠近焊縫附近位置及熱影響區(qū)。中國(guó)兵器科學(xué)研究院宋建民等人對(duì)45號(hào)鋼和22SiMn2TiB進(jìn)行超聲沖擊處理后，在焊趾處表面形成了壓應(yīng)力層，將焊趾處殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。沖擊前、后的縱向殘余應(yīng)力均值為169MPa、-63MPa，下降率137%；沖擊前、后的橫向殘余應(yīng)力均值為296MPa、-49MPa，下降率117%[6]。超聲沖擊設(shè)備占地小，不受工件材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量的限制，使用靈活方便。如若采用超聲沖擊設(shè)備對(duì)這些部位進(jìn)行沖擊，達(dá)到降低或消除殘余應(yīng)力的目的，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有重要的作用。

在此利用超聲沖擊方法消除轉(zhuǎn)向架材料SMA 490BW耐候鋼焊接殘余應(yīng)力，探討超聲沖擊對(duì)轉(zhuǎn)向架材料焊接接頭殘余應(yīng)力的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果探討超聲沖擊處理應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架焊接殘余應(yīng)力消除的可行性。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

使用高速列車轉(zhuǎn)向架用材料SMA 490BW耐候鋼，采用CHW-550焊絲進(jìn)行焊接，焊絲直徑φ 1.2 mm。SMA 490BW和CHW-55CNH焊絲的主要化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 SMA 490BW焊接結(jié)構(gòu)用耐大氣腐蝕熱軋鋼材化學(xué)成分 %

1.2 焊接工藝

采用專用打磨工具清除兩塊板(尺寸500 mm× 250 mm×8 mm)對(duì)接接口附近的氧化皮，用丙酮清潔接口處位置，將板材對(duì)接，采用φ(Ar)80%+φ(CO2) 20%混合保護(hù)氣體焊進(jìn)行焊接。焊接工藝參數(shù)為：電流255 A，電壓32.5 V，焊接速度390 mm·min-1，混合氣體流量13 L／min。

表2 CHW-35CNH焊絲主要化學(xué)成分 %

2 超聲沖擊處理

首先用角磨機(jī)打磨掉焊縫余高，使焊縫與母材處于同一平面，為盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力提供條件，然后采用HY2050型豪克能焊接應(yīng)力消除設(shè)備分別對(duì)焊趾、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行全覆蓋超聲沖擊處理。沖擊處理時(shí)，圓形沖擊針?lè)磸?fù)沖擊焊趾部位，直到?jīng)_出大約2 mm深的明顯壓痕為止。換用平板沖擊頭垂直于熱影響區(qū)和母材區(qū)域表面進(jìn)行沖擊，沖擊速度500mm／min，電流1.8～2.0 A，振動(dòng)頻率20 kHz。超聲沖擊過(guò)程和沖擊后形貌如圖1、圖2所示。

圖1 沖擊處理中

圖2 沖擊處理后

3 焊接殘余應(yīng)力測(cè)試

將焊接好的板從垂直于焊縫中心位置分為兩部分，一部分為沖擊前原始數(shù)據(jù)區(qū)，另一部分為沖擊區(qū)。對(duì)兩個(gè)區(qū)域分別采用盲孔法進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)試，如圖3～圖6所示。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照GB 3395-92殘余應(yīng)力測(cè)試方法，鉆孔應(yīng)變釋放法。

圖3 帖應(yīng)變片

圖4 連線

圖5 貼片完成后烘干

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)果和分析

超聲沖擊前后橫向、縱向殘余應(yīng)力對(duì)比如圖7、圖8所示，焊縫寬度14mm。當(dāng)d＝0時(shí)，表示測(cè)試點(diǎn)位于焊縫中心；當(dāng)d＝5 mm時(shí)，表示測(cè)試點(diǎn)位于距焊縫中心5 mm處；當(dāng)d＝7 mm時(shí)，表示測(cè)試點(diǎn)位于焊趾處；當(dāng)d為其他值時(shí)，表示測(cè)試點(diǎn)位于距焊縫中心對(duì)應(yīng)d數(shù)值距離的位置，即測(cè)試點(diǎn)位于熱影響區(qū)及母材區(qū)域。負(fù)號(hào)表示方向，即為壓應(yīng)力。

圖7 超聲沖擊前后橫向殘余應(yīng)力對(duì)比

圖8 超聲沖擊前后縱向殘余應(yīng)力對(duì)比

由圖7、圖8可知，經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，焊縫、焊趾、近焊縫區(qū)(熱影響區(qū))的橫向殘余應(yīng)力有較為明顯的下降趨勢(shì)。焊縫中心處應(yīng)力值由241 MPa降至89 MPa，應(yīng)力消除率63%；距離焊縫中心5 mm處應(yīng)力值由437MPa降至136MPa，應(yīng)力消除率69%；距離焊縫中心7mm處，即焊趾處，應(yīng)力值由265 MPa降至-49 MPa，應(yīng)力消除率118%?？v向應(yīng)力亦有類似的趨勢(shì)，焊縫中心處應(yīng)力由222 MPa降至-93MPa，應(yīng)力消除率142%；距離焊縫中心5 mm處應(yīng)力值由350MPa降至-215 MPa，應(yīng)力消除率161%；距離焊縫中心7 mm處，即焊趾處，應(yīng)力值由244 MPa降至-117 MPa，應(yīng)力消除率148%，縱向殘余應(yīng)力消除率較橫向殘余應(yīng)力要大。此外，母材的殘余應(yīng)力出現(xiàn)了一定程度的上升，但都是處于壓應(yīng)力狀態(tài)，由于焊接殘余應(yīng)力對(duì)于母材尤其是離焊縫較遠(yuǎn)的母材區(qū)域影響較小，所以焊接件的安全性能不會(huì)受到影響。由于此次實(shí)驗(yàn)采用的板材縱向尺寸較小，且采用盲孔法進(jìn)行測(cè)試(盲孔法需要保證相鄰的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)間保持一定的距離)，故實(shí)驗(yàn)中測(cè)試點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，但通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)仍然可以看出，超聲沖擊對(duì)于焊接殘余應(yīng)力消除具有明顯效果。

5 結(jié)論

(1)超聲沖擊對(duì)于降低焊縫及其附近區(qū)域殘余應(yīng)力效果明顯，橫向殘余應(yīng)力消除率最高達(dá)118%，縱向殘余應(yīng)力消除率最高達(dá)161%。

(2)經(jīng)超聲沖擊處理后，同一位置的縱向殘余應(yīng)力消除率較橫向殘余應(yīng)力要大。

(3)若進(jìn)一步深入尋找超聲沖擊的最佳工藝參數(shù)，將其應(yīng)用于高速列車轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)過(guò)程中，具有巨大的工程意義。

[1]王曉宇.高溫焊接對(duì)16MnR鋼焊接殘余應(yīng)力的影響及機(jī)理[D].沈陽(yáng)：遼寧石油化工大學(xué)，2010.

[2]張俊寶.基于Push-over分析的梁柱焊接節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[3]安俊偉.焊接殘余應(yīng)力對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[4]陳會(huì)麗，鐘 毅，王華昆，等.殘余應(yīng)力測(cè)試方法的研究進(jìn)展[J].云南冶金，2005，34(3)：123-124.

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Research on the residual stress of SMA 490BW atmospheric corrosion resistant steel treated by ultrasonic impacting

RONG Hao1，ZHOU Wei2，CHEN Hui2，ZHANG Wei-hua3
(1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China；2.School of Material Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；3.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Gas shielded welding was done on SMA490 BW atmospheric corrosion resistant steel，and ultrasonic impact treatment was made to the welded butt joint by ultrasonic impact equipment.The residual stresses were tested and analyzed before and after ultrasonic impact by adopting blind-hole method.Finally,the results show that there is obvious effect on residual stress elimination of welding seam and its area nearby after ultrasonic impact treatment.The highest elimination rate of longitudinal residual stress reaches 161%，while the horizontal residual stress could reach 118%.Moreover，the longitudinal residual stress has a bigger elimination rate than that of horizontal one at the same position.

ultrasonic impact；blind-hole method；residual stress；atmospheric corrosion resistant steel

TG404

A

1001-2303(2011)11-0065-04

2011-07-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009BAG12A04-B02)

榮 豪(1979—)，男，河南焦作人，工程師，碩士，主要從事高速列車轉(zhuǎn)向架制造工藝工作。