采用超声冲击处理方法防止焊接接头冷裂纹机理研究

摘要

本文选用45号钢和灰铸铁HT150两种冷裂纹倾向很大的材料作为研究对象，采用超声冲击处理（UIT）的方法对超声冲击处理防止焊接冷裂纹的影响机理进行了研究。 对45号钢，以焊接冷裂纹三要素中的拘束应力因素为研究方向，用评定冷裂纹敏感性的斜Y型坡口焊接裂纹试验法研究了超声冲击处理对焊接冷裂纹的影响。研究结果表明：要使超声冲击能够抑制冷裂纹的产生，其冲击前温度要在Ms点附近，如果冲击前温度太低，焊接接头在超声冲击前就会产生冷裂纹，此时进行超声冲击处理，对冷裂纹的消除已经不起作用，而仅对冲击区域的应力分布产生影响。在冷裂纹产生以前采取超声冲击处理，一方面可以修善焊接接头的几何外形，消除焊趾表面的缺陷，在一定程度上抑制了裂纹源的产生；一方面改变了焊接残余应力场，和焊前预热、焊后热处理相比，在焊缝区域，超声冲击后的残余应力σ1为-10MPa左右，σ2为-20MPa左右，而焊前预热、焊后热处理后的残余应力σ1为+100MPa左右，σ2为+100MPa左右，前者的效果更明显，因此超声冲击处理通过改变焊接残余应力场降低了焊缝区域的拘束应力，从而抑制了氢致冷裂纹的出现和淬硬组织的影响，达到了消除冷裂纹的目的。试样焊后经过合理的超声冲击处理没有出现冷裂纹，因此超声冲击处理可以替代焊前预热和焊后热处理的焊接工艺过程，从而改善了焊工的工作条件，简化了焊接工艺，提高了焊接生产率。 对HT150，以焊接冷裂纹三要素中的拘束应力和淬硬组织因素为研究方向，用评定冷裂纹敏感性的直Y型坡口焊接裂纹试验法研究了超声冲击处理对焊接冷裂纹的影响。研究结果表明：对于焊缝区，焊后超声冲击可以改变焊后残余应力场，超声冲击后的残余应力σ1为-40MPa左右，σ2为-70MPa左右，从而把焊缝区的残余应力转变为压应力，同时，由于超声冲击的作用，焊缝区石墨的组织形态由片状转变为球状，形成球墨铸铁焊缝，球墨铸铁焊缝的抗冷裂性能要高于灰铸铁焊缝。因此，焊后超声冲击处理通过调整和改变焊缝区的拘束应力和组织形态抑制了焊缝区焊接冷裂纹的产生。对于半熔化区，焊后超声冲击同样可以改变焊后残余应力场，大大降低了半熔化区拉应力的数值，同时，在半熔化区，由于超声冲击的时间较长，输入的能量较高，使得焊缝的冷却速度降低，抑制了半熔化区出现白口组织。因此，焊后超声冲击处理通过调整和改变半熔化区的拘束应力和组织形态抑制了半熔化区焊接冷裂纹的产生。在采用同质焊接材料焊接铸铁时，试样焊后经过合理的超声冲击处理没有出现冷裂纹，因此超声冲击处理能够替代焊后热处理，从而简化了热焊工艺，提高了焊接生产率。