复杂结构焊接残余应力超声冲击处理调控

邹家生，沈嘉斌，刘 川

(江苏科技大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

由于焊接过程的局部受热不均匀、加热冷却速度快特点，焊接后会在焊缝及其附近区域产生残余应力[1]。焊接残余应力是形成各种焊接缺陷的重要因素，也是造成焊接热应变脆化的根源[2]。众多研究表明，焊接残余应力是加速焊接结构应力腐蚀和疲劳破坏的重要原因，也是影响焊接结构蠕变性能的重要因素[3]，并影响裂纹尖端张开位移(CTOD)设计曲线[4]。对管道进行晶间应力腐蚀裂纹分析必须计入焊接残余应力的影响[5]。

以上分析表明，焊接对焊接结构的服役安全性产生严重影响，且受众多因素影响，分布复杂。因此，研究焊接残余应力的形成机理、特点与影响，并采取合适的调控措施，对于提高焊接结构的制造质量和服役性能具有非常重要的意义。

传统的应力变形调控方法如热处理、喷丸、熔修、振动时效和锤击等工艺已经在焊接工程中广泛使用且效果明显[6]，但对于船舶、海洋平台之类具有大量强拘束短焊缝的大厚度高强度钢大型焊接结构，以上方法实施起来具有明显的局限性。如：整体热处理和振动时效方法需要更大的加热和振动设备，处理周期长；局部加热、喷丸、碾压和熔修法也由于现场施工和露天作业适应性差而受到限制；锤击方法存在劳动强度高、效率低、效果不明显等问题[7]。大型复杂焊接结构需要适合现场作业、狭小空间可操作、效果明显的应力变形调控方法。

超声冲击处理(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)是通过超声发生器产生的超声波驱动冲击针高速撞击工件表面，使表面产生塑性变形并在表面引入压应力[8]。超声冲击处理因其设备简单、操作方便和现场适应性强等优点被广泛应用于海洋工程、核电、桥梁等行业[9-10]。现有研究表明，超声冲击处理不仅可以改变焊缝区域残余应力分布[11-12]、改善焊趾部位形貌减小应力集中[13]，还可以细化焊缝组织[14-16]，从而提高焊接接头的疲劳强度。GAO等[17]认为，超声冲击处理兼顾了TIG熔修(改善焊趾形貌)和喷丸(产生压缩应力、局部塑性变形和晶粒细化)的特点，冲击造成的塑性变形加强了超声波所引起的材料软化效应，使应力集中区域的残余应力均匀化，并可减少晶格畸变。

本文通过概述国内外学者关于超声冲击对焊接残余应力影响的研究成果，结合超声冲击处理在海工复杂结构上的典型应用，得出超声冲击处理对复杂结构表层焊接残余应力及其分布具有明显优化效果的结论。

1 超声冲击处理对应力调控研究现状

1.1 超声冲击处理原理及设备

超声冲击处理是一种以针式冲击来消除残余应力的方法，它是以超声发生器为激励源，通过压电陶瓷或磁致伸缩方式将超声频电源产生的高频震荡信号(大于18 kHz)转换成机械振动，再经过变幅杆将振幅由几微米放大到几十微米，振动由冲击针传递到金属表面，在金属表面及次表面产生塑性变形，达到消除表层拉伸残余应力的目的。超声冲击处理示意图见图 1。

图1 超声冲击处理示意图

超声冲击处理后的内部残余应力分布见图 2。超声冲击处理试件后，表层0.01～0.1 mm区域为白亮层(增强结构耐腐蚀性和耐磨性)，距表面1～1.5 mm深度为塑性变形层，该两层内的应力可由拉伸应力转化为压缩应力；距表面3～5 mm的冲击松弛层内应力可降低70%，距表面10～15 mm的超声松弛层内应力可降低50%[18]。由于超声冲击的应力松弛作用，16 mm厚690 MPa级别的高强钢焊接接头的焊趾位置经超声冲击处理后可引起深度达到6～8 mm的焊接残余应力降低[17]。

图2 超声冲击处理后的内部残余应力分布[18]

本实验使用JSKD-D型超声冲击设备，超声电源产生超声波频率为20 kHz。实验过程中采用四针头进行冲击，冲击针直径为3 mm。

1.2 超声冲击处理对残余应力影响

超声冲击处理的显著特点是能在处理层表面形成压缩应力。本文规定平行焊缝方向的应力为纵向应力，垂直于焊缝方向的应力为横向应力。304不锈钢材料经超声冲击处理后表层的压应力深度达到1～2 mm，远大于高压水射流喷丸和激光喷丸技术造成的压应力深度(100～200 μm)[19]，并且超声冲击处理的压应力峰值超过材料的屈服强度。饶德林等[11]对Q345D进行超声冲击处理，测得表面压应力层接近3 mm。KHURSHID等[20]发现不同强度等级钢(屈服强度分别为355、700、960 MPa)经超声冲击处理后都能造成达到2 mm深的压缩残余应力层，且钢材屈服强度越高，冲击产生的压缩残余应力值越大。朱海洋等[9]研究认为，超声冲击处理高强钢后，表面压缩应力峰值能达到材料屈服强度的0.8倍(X射线衍射法测试结果)，2 mm深度内的压缩应力幅值能达到材料屈服强度的1.3倍(小孔法测试结果)。以上研究表明，超声冲击处理对不同强度等级金属材料的应力调控都有明显效果，且能造成达到约2 mm深度的压缩应力，压缩应力峰值达到0.8～1.3倍的材料屈服强度。LIU等[21]对50 mm厚Q345D钢拘束态试样进行超声冲击处理，采用XRD(X射线衍射法)、小孔法和轮廓法测试了表面应力，发现拘束试样的表面横向和纵向应力呈现为峰值达到材料屈服强度的拉伸应力且整个板宽都为拉伸应力，经过超声冲击处理后其表层的横向和纵向拉伸应力转化为几乎一致的达到材料屈服强度的压缩应力，见图3。从图中看出，说明超声冲击处理对超过屈服强度的拉伸应力同样有效，对横向和纵向应力的作用效果一致，且对冲击区域外的表面应力没有显著影响。

图3 拘束试板超声冲击处理前后的表面应力

焊接残余应力是自相平衡的内应力。超声冲击处理后，试样表层出现了压缩应力，为保持应力平衡，其内部应力应该有所变化。LIU等[22]采用小孔法测试了45 mm厚EQ56钢对接试板局部超声冲击处理前后的表层应力，并采用轮廓法测试内部应力分布，测试结果和有限元计算的焊态应力分布进行比较，测试结果见图4。研究结果表明：超声冲击处理能引起表层2～4 mm深度的压缩应力，且超声冲击处理对表面横向和纵向拉应力的作用效应一致，即超声冲击处理具有可同时调控横向和纵向应力的特点；由于表面的拉伸应力转变为压缩应力，内部的横向和纵向压缩应力有所升高，但不改变内部应力分布趋势。

图4 45 mm厚EQ56焊接试板超声冲击处理前后的应力变化

2 超声冲击处理对典型复杂结构应力调控

2.1 海洋钻井平台轴承座结构应力调控

轴承座焊接结构为自升式海洋钻井平台结构一部分，由多块形状复杂、厚度不一的高强钢焊接而成。轴承座材质为A514Q，厚度为260 mm；月牙板、肋板厚度为38 mm，材质为EQ47，理论屈服强度为460 MPa，其结构示意图见图5。对于该类由不同厚度、不同材质焊接而成且多焊缝交错相互拘束的结构，焊接残余应力分布复杂且容易在焊缝中出现三向应力集中。有限元数值计算的该结构焊接残余应力分布见图6。从图中可以看出，肋板—轴承座焊缝出现了X、Y、Z方向非常大的拉伸应力，月牙板—轴承座焊缝的Y向应力、肋板—月牙板焊缝的X方向应力也呈现为高拉伸应力。手动超声冲击处理非常适合与该类结构的应力调控。图7为肋板—轴承座焊缝局部冲击后肋板上测试的应力分布。经超声冲击处理后，焊缝处理区域的X方向和Z方向应力(肋板—月牙板焊缝的横向和纵向应力)由300～500 MPa的高拉伸应力降低为-600 MPa的压缩应力，且横向纵向应力的压缩应力一致。

图5 轴承座示意图(单位：mm)

图6 轴承座结构焊接应力分布及超声冲击处理(单位：mm)

2.2 超声冲击对自升式钻井平台桩腿管应力调控

自升式钻井平台桩腿管节点焊接结构复杂，包括管—半圆板相贯焊接、管板焊接等多种不规则焊缝，且各构件材料不同，焊接残余应力分布复杂。焊接后在管板焊缝、管—半圆板焊缝及其焊趾位置出现拉应力集中，易降低桩腿的疲劳寿命。该类结构焊缝区域窄小，而超声冲击方法能灵活应用在该类结构上。采用超声冲击处理管—半圆板焊缝前后的应力分布见图8。从图中看出，经超声冲击处理后，管—半圆板焊缝上接近600 MPa的拉伸应力全转化为-600～-800 MPa的压缩应力，特别是焊趾附近的拉应力集中现象完全得到消除。

图7 肋板—轴承座焊缝超声冲击处理后残余应力分布

图8 桩腿关节点超声冲击处理前后的应力分布

3 结论

本文介绍了超声冲击处理的特点和优势，重点介绍其焊接残余应力影响的最新研究成果及在复杂焊接结构上的典型应用和效果。主要结论如下：

(1)超声冲击处理对不同强度等级钢都有显著的应力调控效果，造成冲击区域产生深度达到约2～4 mm的压缩应力层。

(2)超声冲击处理造成的压缩应力峰值能达到材料屈服强度的0.8～1.3倍。

(3)超声冲击处理对横向和纵向拉伸应力(甚至超过材料屈服强度的拉伸应力)具有相同的调控效果，冲击区域的表层横向和纵向压缩应力幅值和分布趋势基本一致；超声冲击处理对冲击区域外的表层应力没有显著影响。

(4)结构经超声冲击处理后，表面的拉伸应力转变为压缩应力，内部的横向和纵向压缩应力有所升高，但不改变内部应力分布趋势。

(5)超声冲击处理方法能灵活应用于大型复杂结构的窄小操作空间。在海工结构上的应用表明：该方法将显著降低局部焊缝的应力集中，将拉伸应力转变为压缩应力，有利于结构的服役性能。