焊接接头超声冲击处理的研究进展_肖昌辉

Welding Technology Vol．41No．9Sep.2012·专题综述·0引言

超声冲击是一种采用大功率冲击头以20kHz 的

频率冲击金属物体表面，使金属表层产生较大的压缩塑性变形的技术。它能够有效消除表面或焊缝区残余拉应力，引入残余压应力，提高焊接件疲劳寿命。由于超声冲击设备具有方便灵活，不受复杂结构限制，并可适应恶劣多变的施工工况等优点，近年来得到了越来越广泛地关注［1-3］。随着超声冲击技术的发展，不仅适用于钢结构，还在铝合金、钛合金及镁合金的焊后处理中发挥出重要作用，不仅适用于对接接头，还适用于角接接头，丁字接头和十字接头等众多接头形式。目前，焊接接头超声冲击处理的研究主要集中在以下几个方面［4-6］：

（1）超声冲

击改善焊趾区的表面形貌，减小应力集中；

（2）超

声冲击消除焊接残余应力，调整残余应力场；（3）

超声冲击改善组织形态，细化晶粒；

（4）超声冲击

处理提高接头的疲劳强度，延长疲劳寿命；

（5）超

声冲击对接头其他性能如耐磨性、韧性等的影响。

1

超声冲击能改善焊趾区表面形貌，减小应力集中叶雄林等人［7］对超高强钢进行了超声冲击处理，得到冲击前后焊趾处的形状如图1所示。通过对比

可见，经超声冲击处理后的焊件焊趾区的过渡更加

平滑。杨彦涛等人［8］测量了超声冲击处理前后Ti80合金焊接接头的外形尺寸，发现焊缝高度、焊缝宽度、焊缝倾角均无变化，只有焊趾区过渡半径增大较多，而应力集中系数却明显减小。通过定量计算发现，经超声冲击处理后，Ti80合金对接接头的有效应力集中系数降低约20%，十字接头则降低了

22%。向学建等人［9］通过对Q370qE 钢焊接接头的研

究发现，经超声冲击处理，焊缝宽度无变化，而余高稍降低，焊趾区过渡半径从1.58mm 增大到2.63

mm ，焊缝过渡角由38°减小到27°。通过以上研究可

认为，增大焊趾区过渡半径和减小过渡角是超声冲击改善焊趾区形貌，降低应力集中的主要实现方式。

2

超声冲击可消除焊接残余应力，调整残余应力场美国Lehigh 大学的CHENG ［10］采用超声冲击和喷

丸2种焊后处理工艺处理焊接接头，随后利用中子衍射和X 射线衍射技术测量残余应力，发现经过超声冲击处理的区域产生了残余压应力，压应力值达

到甚至超过母材的屈服强度。残余压应力的深度约

焊接接头超声冲击处理的研究进展

肖昌辉，贺文雄

（哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院，山东威海264209）

摘要：概述了超声冲击处理对于焊接接头各方面的影响以及研究进展，提出了超声冲击法在今后的研究方向。超声冲击处理不仅可以降低焊趾部位的应力集中，调整焊接残余应力场，而且能够细化晶粒，提高焊接接头的疲劳性能以及耐磨性等，展示了焊接接头超声冲击处理的研究意义与应用前景。

关键词：超声冲击处理；焊接接头；残余应力；疲劳性能中图分类号：TG405

文献标志码：A

文章编号：1002－025X (2012)09-

0001-05

收稿日期：2012-06-26

图

1超声冲击处理前后焊趾的几何形状

（a ）未进行超声冲击处理（b ）已进行超声冲击处理

1

焊接技术第41卷第9期2012年9月

·专题综述·为1.5~1.7mm ，宽度约为15mm 。上海交通大学的饶德林等人［11］对Q345钢结构箱形柱的研究表明，采用超声冲击工艺可以在焊缝表面一定深度（<3mm ）下产生压应力，最高测得-134MPa ，而对于非熔透埋弧焊和熔透埋弧焊焊缝的测量结果显示，在盲孔法测量的深度范围内，超声冲击可降低焊缝最大主应力约34%~55%；叶雄林等人［7］通过对超高强钢焊接接头进行焊趾位置的超声冲击处理，并采用X 射线应力分析仪得到了冲击处理前后各个测试点处焊接残余应力的分布情况，如图2所示。

从残余应力的测试结果可以看出，在2#试样（未做处理的）焊缝以及焊趾附近主要是残余拉应力，在该试样的焊趾附近残余拉应力甚至达到180

MPa 。采用超声冲击设备处理以后，1#

试样的残余拉

应力显著减小，焊趾处的最大残余压应力为-350

MPa ，而且经超声冲击处理后的焊趾附近主要是压应

力。这些都表明，超声冲击处理技术可以减小焊缝及其焊趾附近的残余拉应力，且在焊趾附近产生有利于抗疲劳性的残余压应力。

目前，超声冲击处理消除焊接残余应力的机理还存在分岐，一般认为［12］，焊接残余应力的消除是宏观塑形变形带来的位错运动而引起的，局部屈服后的位错会从不稳定的高能态（对应着拉应力）向低能态（对应着压应力）进行稳定化转变，由此带来的微观塑性变形使得峰值残余应力得以释放，即降低了残余应力大小，而外在因素则是超声冲击带来的高频能量和振动冲击应力。江苏科技大学的严铿等人［13］则认为是超声冲击带来的高频能量输入到焊

缝的表层，使表层金属发生了组织突变，由焊态奥氏体变为体积更大的马氏体。体积膨胀首先可以使焊缝表层金属中的残余拉应力由于应力松弛而大幅下降，同时膨胀会受到周围很大的压缩应力，使残余拉应力进一步降低直到压应力的产生，这种说法也能解释消除应力的过程，所以，到底是何种机制在发挥作用目前尚处于探讨和研究中。

3超声冲击改善组织形态，细化晶粒

装甲兵工程学院的朱有利等人［14］采用TIG 焊及

ER5356焊丝焊接2A12铝合金，焊后进行了超声冲

击处理，借助金相显微镜得到超声冲击处理前后母材区、热影响区和焊缝区的金相组织如图3所示。

对比图片发现，常规焊的焊缝区和热影响区的晶粒粗大，且熔合区和焊缝区存在明显的气孔和缩松，这些缺陷能显著降低接头的疲劳强度。而冲击后试件表面形成了致密的塑性变形层约300μm ，在变形区内，晶粒尺寸明显减小，且无论是气孔的数量还是尺寸都明显减少，焊缝组织更加致密。XRD 图谱分析表明，超声冲击处理后接头表层中晶粒的取向随机分布，不具有择优取向，因而组织更加均匀。华东理工大学李东等人

［3］

的研究表明，超声冲

图2

处理后的（1#）和未处理的（2#）试样残余应力分布曲线残余应力/M P a

500400300

2001000-100-200-300-400

1#试样2#试样

-8

-6

-4

-2

0246

8x /mm

（a ）冲击前

，母材图3

超声冲击处理前后焊接接头各区的表层组织结构金相照片

（b

）冲击前，HAZ

（c ）冲击前，

焊缝区

（d ）冲击后，母材

（

e ）冲击后，HAZ

（f ）冲击后，焊缝区

（a ）冲击前，母材2