超声波冲击处理对S355J2W+N钢对接接头焊后残余应力的影响
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（１．大 连 交 通 大 学 材 料 工 程 学 院 ， 辽 宁 大 连 １１６０２８；２．中 车 唐 山 机 车 车 辆 有 限 公 司 转 向架 技 术 中 心 ，河 北 唐 山 ０６３０３５；３．辽 宁省 轨 道 交 通 装备 焊接 与可 靠 性 重 点 实 验 室 ，辽 宁 大 连 １ １６０２８）
收 稿 日期 ：２０１８—０５—３ｌ 基金项 目 ：中国铁路总公 司科技计划重点项 目资助 （２０１６ＪＯＯ７—１）
金 属 材 料 残 余 应 力 ．在 一 定 的 超 声 波 冲 击 工 艺 下 ， 残余 压 应力 层 的深 度可 达约 ２ ｍｍ厚 。
国 内外 关 于 超 声 波 冲击 的研 究 主要 集 中于 提 高 焊 接 接 头 的力 学 性 能 、金 属 表 面 自纳 米 化 机 制 的试 验研 究 Ｉ９＿ ．而 对 于 焊接 接 头通 过 不 同覆 盖 率 超 声 波 冲击 处 理 后 的残 余 应 力 场 的变 化 研 究 较 少 。本 文 以 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ＋Ｎ 钢 板 对 接 接 头 为 研 究 对 象 ．研 究 不 同覆 盖 率 超 声 波 冲击 处 理 对 试 件 残 余 应 力场 的 影 响 规 律 ．有 望 为 实 际 处 理 过程 中 工艺 参 数 的 优 化 提 供 依 据
１００％覆 盖 率超 声 波 冲 击 处 理 后 ， 对接 接 头表 面 的横 向 和 纵 向残 余 压 应 力 都 高迭 ５００ＭＰａ； 冲 击 区域 由残 余 拉 应 力 转 变 为 残 余 压 应 力 ；
随 着覆 盖 率 的 增 加 ， 残 余 应 力 分 布 趋 于均 匀 ； 经 对 权 衡 超 声 波 冲 击 效 果 与 时 间 、 经 济 效 益 后 ，得 知 ４００％覆 盖 率 为 最 合 理 的 超 声 波 冲
Ｎ埘 候 钢 对 接 试板 残余 应 力 的影 响规 律 ．利川 超 声 波 冲 ．ｋ设 备 对 罔 ２所 ｌ ，Ｊ 的 域 进 行 覆 盖 率 分 圳 勾 ｌ００％ ．４００％ ．６００％，８００％超 声 波 冲击 处 冲 击 处 理 ｝｛ｌｆ设 备的 Ｉ 作 电流 为 １．５～１．９ Ａ．振 动 频 率 约 为 ２０ ｋＨｚ，冲 出速度 为 ５００ ｍｍ／ｍｉｎ．．使 用 ４，５ ＩＩ１ｎ１的 同 朴 状 针 头 冲 击焊 趾 处 ．使 用 片状 针 头 冲 击 焊缝 及 热 影 响
摘 要 ：基 于 Ｘ 射 线 衍 射 法 ．测 试 了厚 １２ｌｎｍ 的 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ＋Ｎ 钢 对 接 焊 接 接 头 试 板 不 同覆 盖 率 超 声 波 冲 击 处理 前 后 表 面 及 电 解抛 光 后 不
同 层 深 的 残 余 应 力 状 态 。 研 究 了不 同覆 盖 率 对 试 板 横 向 、 纵 向 残 余 应 力 及 其 不 同 层 深 处 残 余 应 力 分 布 的 影 响 规 律 。 结 果 表 明 ，经
衰 １ Ｓ３５５Ｊ２Ｗ ＋Ｎ 钢 化 学 成 分 （质 量 分 数 ） （％ ）
ｌ ｃ Ｍｎ Ｓｉ Ｐ Ｓ Ｎｉ Ｃｒ ｌ ｏ．０９ １．１９ ０．３２７ Ｏ．０ｌ９ ０．ｏｏ３ ０．Ｏ２２ ０．４２４
｝皇Ｉ １ ￥３５５Ｊ２Ｗ ＋Ｎ 焊 撬 攫 头
１．２ 赶 声 波 冲 处 婵 为了研究不 同超声波 冲击处理覆 盖率对 Ｓ３５５材料 属性 及焊 接工 艺参 数
母 材 材 质 为 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ＋Ｎ 耐 候 钢 钢 板 ， 尺 寸 为 ３５０ ｍｍｘ１５０ ｍｍｘｌ２ ｍｍ．材 料 的 化 学 成 分 见 表 １。 试 板开 ６０ｏ Ｖ形坡 口 ．采 用 富氩 气 体 保 护焊 （￣ｏ（Ａｒ） ８Ｏ％＋ （ＣＯ２）２０％），进 行 ３层 单道 焊 接 。气体 流 量 为 １５～２０ Ｌ／ｍｉｎ．热 输 人 为 ０．７～１．５ ｋＪ／ｒ ａｍ。试 件 焊 接 接 头 如 图 １所示
１０２ ·焊 接 质量 控 制 与管 理 · 文 章 编 号 ：１００２—０２５Ｘ（２０１８）０８—０１０２—０５
焊 接 技 术 第 ４７卷 第 ８期 ２０１８年 ８月
超 声 波 冲 击 处 理 对 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ ＋Ｎ 钢 对 接 接 头 焊 后 残 余 应 力 的 影 响
孙 杨 １，３，胡 文 浩 ， 李余 江 ，许 鸿 吉 ．一，杨 鑫 华 １，３
击 处理 工 艺参 数 。
关 键 词 ： 超 声 波 冲 击 处 理 ；Ｘ 射 线 衍 射 ；覆 盖 率 ； 残余 应 力
中 图分 类 号 ：ＴＧ４４１．７
文 献 标 志 码 ：Ｂ
０ 序 言 焊 接 过 程 中 。 由于 温 度 分 布 不 均 匀 ，会 导 致 焊
接 接 头 处 产 生 较 大 的 残余 应 力 ．影 响焊 接 接 头 尺 寸 的稳 定 性 ．致 使 焊 接 结 构 的疲 劳 寿 命 下 降 。改 变 焊 接 接 头 的表 面 状 态 是 提 高 焊 接 接 头 综 合 力 学 性 能 的 一 种 有 效方 法 ［１＿２］ 超 声 波 冲击 处 理 是 一 种 以超 声 波 频 率激 励 声学 系统 的换 能器 ．并 依 靠 机 械 谐 振 作 用 将 电 能转 换 成机 械振 动 ．通 过 冲击 针 头 对 表 面进 行 持续 冲 击 的表 面加 工 技术 。超 声 波 冲击 利用 大功 率 的能 量推 动 冲击头 ．以高频 率 冲击金 属物 体表 面 。高 频 、高效 和 聚焦 下 的大能量 使金 属表 层产 生较 大 的压 缩 塑性 变 形 ．同时 超声 波 冲 击改 变 了原 有 的应 力 场 ． 产 生 了压应 力 ．进 而 改 善 焊接 结 构 件 的性 能 ｌ４＿５］。 目 前 ．李 占明等 人 ＿６＿采 用超 声 波 冲击方 法 对 ２Ａ１２铝 合 金 焊 接 接 头 进行 处 理 ．研 究 了超 声 波 冲击 处 理对 接 头 强 度 及 该 区域 显 微 组 织 的 影 响 张 倩 等 人 Ｉ７１利 用 ７Ａ５２铝合 金 ＭＩＧ焊 焊 接接 头 验证 了超声 波 冲击 处 理 能 够 改 变 接 头 焊 趾 处 的应 力 分 布 ，降 低 应 力 集 中 。 汪 勇 等 人 采 用 Ｘ 线衍 射 法 、 ？贝４定 经 过 超 声 波 冲击 的
收 稿 日期 ：２０１８—０５—３ｌ 基金项 目 ：中国铁路总公 司科技计划重点项 目资助 （２０１６ＪＯＯ７—１）
金 属 材 料 残 余 应 力 ．在 一 定 的 超 声 波 冲 击 工 艺 下 ， 残余 压 应力 层 的深 度可 达约 ２ ｍｍ厚 。
国 内外 关 于 超 声 波 冲击 的研 究 主要 集 中于 提 高 焊 接 接 头 的力 学 性 能 、金 属 表 面 自纳 米 化 机 制 的试 验研 究 Ｉ９＿ ．而 对 于 焊接 接 头通 过 不 同覆 盖 率 超 声 波 冲击 处 理 后 的残 余 应 力 场 的变 化 研 究 较 少 。本 文 以 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ＋Ｎ 钢 板 对 接 接 头 为 研 究 对 象 ．研 究 不 同覆 盖 率 超 声 波 冲击 处 理 对 试 件 残 余 应 力场 的 影 响 规 律 ．有 望 为 实 际 处 理 过程 中 工艺 参 数 的 优 化 提 供 依 据
１００％覆 盖 率超 声 波 冲 击 处 理 后 ， 对接 接 头表 面 的横 向 和 纵 向残 余 压 应 力 都 高迭 ５００ＭＰａ； 冲 击 区域 由残 余 拉 应 力 转 变 为 残 余 压 应 力 ；
随 着覆 盖 率 的 增 加 ， 残 余 应 力 分 布 趋 于均 匀 ； 经 对 权 衡 超 声 波 冲 击 效 果 与 时 间 、 经 济 效 益 后 ，得 知 ４００％覆 盖 率 为 最 合 理 的 超 声 波 冲
Ｎ埘 候 钢 对 接 试板 残余 应 力 的影 响规 律 ．利川 超 声 波 冲 ．ｋ设 备 对 罔 ２所 ｌ ，Ｊ 的 域 进 行 覆 盖 率 分 圳 勾 ｌ００％ ．４００％ ．６００％，８００％超 声 波 冲击 处 冲 击 处 理 ｝｛ｌｆ设 备的 Ｉ 作 电流 为 １．５～１．９ Ａ．振 动 频 率 约 为 ２０ ｋＨｚ，冲 出速度 为 ５００ ｍｍ／ｍｉｎ．．使 用 ４，５ ＩＩ１ｎ１的 同 朴 状 针 头 冲 击焊 趾 处 ．使 用 片状 针 头 冲 击 焊缝 及 热 影 响
摘 要 ：基 于 Ｘ 射 线 衍 射 法 ．测 试 了厚 １２ｌｎｍ 的 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ＋Ｎ 钢 对 接 焊 接 接 头 试 板 不 同覆 盖 率 超 声 波 冲 击 处理 前 后 表 面 及 电 解抛 光 后 不
同 层 深 的 残 余 应 力 状 态 。 研 究 了不 同覆 盖 率 对 试 板 横 向 、 纵 向 残 余 应 力 及 其 不 同 层 深 处 残 余 应 力 分 布 的 影 响 规 律 。 结 果 表 明 ，经
衰 １ Ｓ３５５Ｊ２Ｗ ＋Ｎ 钢 化 学 成 分 （质 量 分 数 ） （％ ）
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｝皇Ｉ １ ￥３５５Ｊ２Ｗ ＋Ｎ 焊 撬 攫 头
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母 材 材 质 为 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ＋Ｎ 耐 候 钢 钢 板 ， 尺 寸 为 ３５０ ｍｍｘ１５０ ｍｍｘｌ２ ｍｍ．材 料 的 化 学 成 分 见 表 １。 试 板开 ６０ｏ Ｖ形坡 口 ．采 用 富氩 气 体 保 护焊 （￣ｏ（Ａｒ） ８Ｏ％＋ （ＣＯ２）２０％），进 行 ３层 单道 焊 接 。气体 流 量 为 １５～２０ Ｌ／ｍｉｎ．热 输 人 为 ０．７～１．５ ｋＪ／ｒ ａｍ。试 件 焊 接 接 头 如 图 １所示
１０２ ·焊 接 质量 控 制 与管 理 · 文 章 编 号 ：１００２—０２５Ｘ（２０１８）０８—０１０２—０５
焊 接 技 术 第 ４７卷 第 ８期 ２０１８年 ８月
超 声 波 冲 击 处 理 对 Ｓ３５５Ｊ２Ｗ ＋Ｎ 钢 对 接 接 头 焊 后 残 余 应 力 的 影 响
孙 杨 １，３，胡 文 浩 ， 李余 江 ，许 鸿 吉 ．一，杨 鑫 华 １，３
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关 键 词 ： 超 声 波 冲 击 处 理 ；Ｘ 射 线 衍 射 ；覆 盖 率 ； 残余 应 力
中 图分 类 号 ：ＴＧ４４１．７
文 献 标 志 码 ：Ｂ
０ 序 言 焊 接 过 程 中 。 由于 温 度 分 布 不 均 匀 ，会 导 致 焊
接 接 头 处 产 生 较 大 的 残余 应 力 ．影 响焊 接 接 头 尺 寸 的稳 定 性 ．致 使 焊 接 结 构 的疲 劳 寿 命 下 降 。改 变 焊 接 接 头 的表 面 状 态 是 提 高 焊 接 接 头 综 合 力 学 性 能 的 一 种 有 效方 法 ［１＿２］ 超 声 波 冲击 处 理 是 一 种 以超 声 波 频 率激 励 声学 系统 的换 能器 ．并 依 靠 机 械 谐 振 作 用 将 电 能转 换 成机 械振 动 ．通 过 冲击 针 头 对 表 面进 行 持续 冲 击 的表 面加 工 技术 。超 声 波 冲击 利用 大功 率 的能 量推 动 冲击头 ．以高频 率 冲击金 属物 体表 面 。高 频 、高效 和 聚焦 下 的大能量 使金 属表 层产 生较 大 的压 缩 塑性 变 形 ．同时 超声 波 冲 击改 变 了原 有 的应 力 场 ． 产 生 了压应 力 ．进 而 改 善 焊接 结 构 件 的性 能 ｌ４＿５］。 目 前 ．李 占明等 人 ＿６＿采 用超 声 波 冲击方 法 对 ２Ａ１２铝 合 金 焊 接 接 头 进行 处 理 ．研 究 了超 声 波 冲击 处 理对 接 头 强 度 及 该 区域 显 微 组 织 的 影 响 张 倩 等 人 Ｉ７１利 用 ７Ａ５２铝合 金 ＭＩＧ焊 焊 接接 头 验证 了超声 波 冲击 处 理 能 够 改 变 接 头 焊 趾 处 的应 力 分 布 ，降 低 应 力 集 中 。 汪 勇 等 人 采 用 Ｘ 线衍 射 法 、 ？贝４定 经 过 超 声 波 冲击 的