表面强化技术在焊接领域中的应用研究进展

表面强化技术在焊接领域中的应用研究
进展
摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，焊接技术以其成本低、工艺简单等优点被广泛应用于结构和构件的制造。

但是，焊接过程通常会对焊接件施加残余拉伸应力，这往往会对焊接接头的疲劳性能等造成不利影响。

表面强化技术可以显著改善材料的力学性能。

综述了辊轧、高频冲击、喷丸法、激光冲击以及超声冲击法等对焊接接头性能的影响，并对其发展方向进行了展望。

关键词：表面强化;焊接;组织;力学性能
引言
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。

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。

1热喷涂技术
热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面以形成喷涂层的表面加工技术。

目前在模具行业中主要发展有火焰喷涂和等离子喷涂等技术。

由于热喷涂层具有耐磨、耐蚀、减摩、抗咬合等性能可为模具提供耐磨而坚韧的热喷涂厚涂层因此特别适用于大型模具以及严重磨损条件下的模具修复。

等离子喷涂是以氮、氩等惰性气体作为工作介质在专用的喷枪内发生电离形成热等离子体再将进入该等离子弧区的粉末状涂层材料熔融、雾化并高速喷送到被涂工件表面形成涂层。

由于整个工艺集熔化、雾化、快
淬、固结等过程为一体且所获组织致密、结合牢固因此在涂层技术中占主导地位。

但等离子喷涂也存在如需要高纯气体且成本较高等缺点。

目前除常压下气稳式喷
涂工艺外又发展出优点更为突出的低压等离子喷涂及液稳式喷涂工艺正逐步推广
使用。

而火焰喷涂与等离子喷涂相比成本较为低廉、操作简便但结合的强度和密
度相对较弱。

近年来通过对此项技术的大力发展和完善目前已开发出性能更为优
良的超音速火焰喷涂并投入了实际应用。

如广州有色金属研究院采用超音速喷涂
硬质合金工艺使Cr12不锈钢拉伸模修模频率从原来的500件1次提高到7000件
1次寿命提高了3～8倍获得了十分可观的经济效益。

2激光冲击对焊接接头的影响研究
激光冲击也称为激光表面硬化或激光喷丸处理，是利用高能脉冲激光在零件
表面产生冲击波，使表面金属材料达到压缩和塑性变形的效果，在零件表面产生
残余压应力，增强了工件对表面疲劳、腐蚀疲劳和应力腐蚀裂纹的抵抗能力。

了
激光冲击处理对45钢－40Cr钢焊接接头组织性能的影响，研究结果表明:经激光
冲击后，接头焊缝区原有的马氏体组织逐渐分解为细小马氏体组织;冲击区域内
焊缝区、热影响区以及母材区的残余拉应力都变为压应力，焊缝中心区域最大平
均残余压应力可达－395MPa;同时，激光冲击使接头各区域的硬度值有不同程度
的提高，热影响区附近和焊缝中心分别提高了约60HV0．3和40HV0．3，影响层
深度约为0．5mm。

激光淬火(LQ)和激光冲击强化(LSP)两种激光强化工艺对钢轨
焊接接头抗磨抗疲劳性能的影响。

LQ工艺显著提高了钢轨焊接接头的抗磨性能，
但抗疲劳性能变差。

LQ处理焊接接头的磨损率降低了91．6%～92．4%，但LQ处
理焊接接头的平均裂纹角(23～25°)和平均裂纹长度(62～74μm)均大于未处理
钢轨焊接接头(分别为13～15°和37～59μm)。

LSP工艺提高了焊接接头的耐磨
性和抗疲劳性能。

LSP处理的焊接接头磨损率降低了5．1%～10．1%。

同时，LSP
处理的焊接接头的裂纹密度(0．9～4．2mm－1)、平均裂纹角(10～13°)和平均
裂纹长度(16～26μm)均小于未处理和LQ处理的焊接接头。

3离子注入技术
离子注入技术是将注入元素的原子电离成离子在获得较高速度后射入放在真
空靶室中的工件表面的一种表面处理技术。

由于被注入离子是以很高的速度强行
注入的所以其不受基体金属中的扩散速率以及固溶度的限制而且注入后既不改变
模具基体表面的几何尺寸又能形成与基体材料完全结合的表面合金不存在有明显
的分界面而产生剥落的问题同时由于大量离子（如氮、碳、硼、钼等）的注入可
使模具基体表面产生明显的硬化效果大大降低了摩擦因数显著地提高了模具表面
的耐磨性、耐腐蚀性以及抗疲劳等多种性能。

因此近年来离子注入技术在模具领
域中如冲裁模、拉丝模、挤压模、拉伸模、塑料模等得到了广泛应用其平均寿命
可提高2～10倍。

表2为离子注入技术在模具中的使用效果。

但是目前离子注入
技术在运用中还存在一些不足如离子注入层较薄、小孔处理困难、设备复杂昂贵
等其应用也受到一定的限制。

4表面强化处理改善焊接接头性能
1999年，金属材料表面纳米化的概念，即在材料表面制备出具有一定厚度的
纳米结构表层，形成从表层到基体梯度变化组织。

通过提高材料表层的组织和性
能均匀性，来改善材料整体的环境服役行为。

近几十年来，一些基于普通喷丸技
术发展起来的超声喷丸(USSP）、表面机械研磨等强烈塑形变形工艺(SSPD)，由
于操作简单、成本较低己引起科研工作者的广泛关注。

表面强化处理工艺通过机
械或者弹丸冲击材料表面，使产生剧烈塑性变形，实现晶粒细化，在表面制备出
一层纳米结构层，且硬度明显高于心部。

焊接接头经表面强化处理，在各个区域
表面形成取向随机分布的细晶组织，实现焊接接头各个区域组织和性能的均一化。

表面强化处理消除焊接工艺产生的残余拉应力，并引入残余压应力，降低表面层
存在的微观缺陷密度，提高焊接接头整体力学性能和抗应力腐蚀和疲劳腐蚀行为。

304不锈钢进行表面喷丸处理，研究表明，喷丸处理使表层晶粒明显细化、表层
硬度显著提高。

通过有限元模拟技术分析了喷丸处理对焊缝及近缝区表层残余应
力的影响，结果表明，沿试板厚度方向分布的残余拉应力明显改善。

采用高能喷
丸处理SS400钢焊接接头表面。

结果表明:高能喷丸处理实现了SS400钢焊接接
头表层组织和硬度的均一化，高能喷丸处理引入SS400钢焊接接头表面的残余压
应力是改善应力腐蚀的主要原因，同时表面强化层提高了焊接接头的疲劳寿命。

结语
激光冲击强化处理可以改善焊接接头出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，提高焊接头疲劳寿命。

对焊接头双面激光冲击强化处理效果优于单面处理。

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