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  • 激光沖擊對不銹鋼焊接接頭殘余應力場的影響

    針對不銹鋼焊接接頭存在殘余應力且分布不均勻、容易發生應力腐蝕的問題,采用激光沖擊強化對其進行處理,探究激光功率密度和沖擊次數對表面殘余應力狀態的優化作用,并通過應力腐蝕試驗驗證優化效果。結果表明:隨著功率密度增加,表面殘余應力明顯下降,但下降幅度逐漸減小,功率密度4.24GW/cm2與2.83GW/cm2沖擊產生的殘余應力相差不大,熔合區還存在殘余拉應力,說明高功率密度不足以消除表面殘余拉應力;隨著沖擊次數增加,殘余拉應力顯著降低,2.83GW/cm2沖擊3次之后,殘余拉應力完全消除,局部最高應力梯度從54.7MPa/mm下降到11.7MPa/mm,獲得了高數值、分布均勻的殘余壓應力層。激光沖擊強化后,焊接試樣的應力腐蝕斷裂時間提高了33.48%,激光沖擊強化產生的殘余壓應力是其應力腐蝕抗性提高的重要原因。

    不銹鋼材料以其良好的塑性與韌性,特別是其優良的抗腐蝕性能,廣泛應用在石油、化工、原子能以及宇宙宇航等工業領域。由于不銹鋼管在使用中經常接觸腐蝕介質,因而常常引發腐蝕失效問題,甚至造成嚴重事故。據統計,應力腐蝕開裂是不銹鋼管最突出的破壞形式,占整個不銹鋼腐蝕破壞事故的40%~60%。

    而應力腐蝕發生的條件是:必須存在拉應力以及腐蝕介質。不銹鋼管在焊接過程中,由于局部的快冷快熱,以及熱影響區的不均勻收縮,因而焊接接頭容易產生焊接殘余應力以及焊接殘余變形。焊接殘余拉應力的存在,為應力腐蝕開裂創造了必要的條件。消除焊接接頭的殘余拉應力是提高不銹鋼應力腐蝕性能的有效途徑,對于拓寬其應用范圍具有重要意義。常用的殘余應力消除方法有機械拉伸法、整體高溫回火處理、溫差拉伸法、爆炸法、噴丸處理等。

    激光沖擊強化是一種新型的表面強化技術,沖擊后使材料表層獲得殘余壓應力以及較高的位錯密度,從而提高材料的結構疲勞特性、耐磨性以及應力腐蝕性能。美國和日本的研究表明,激光沖擊強化處理對金屬材料的應力腐蝕性能有明顯的改善效果,并且已經將該技術用于核工業壓力容器焊縫的強化處理,取得了顯著的效果。國內,南京工業大學彭薇薇、凌祥和江蘇大學寧吉平先后研究了激光沖擊光斑搭接率對不銹鋼焊接接頭應力腐蝕性能的影響,初步分析了激光沖擊產生的殘余壓應力對焊接接頭應力腐蝕抗性的提高作用,但未對殘余應力狀態進行優化研究,以獲得更好的強化效果。

    本文主要討論激光沖擊強化對不銹鋼焊接接頭殘余應力狀態的優化改善作用,并通過應力腐蝕試驗驗證優化效果。

    1試驗材料與方法

    1.1激光沖擊誘導殘余應力原理

    激光沖擊強化(LSP)是采用高功率密度(>109W/cm2)、短脈沖(109s-1級)的激光輻照金屬表面,使金屬表面的吸收保護層(一般為黑漆或鋁箔)吸收激光能量并發生爆炸性氣化蒸發,產生高溫(>104K)、高壓(>1GPa)的等離子體,如圖1所示。該等離子體受到表面約束層(一般為水)的約束作用,形成高壓沖擊波(GPa量級),沖擊波擠壓材料表面,并向材料內部傳播,沿著沖擊波傳播方向上,沖擊區表層產生純單軸壓縮,同時在平行于表面的平面內使沖擊區表層發生伸長,產生拉伸應力。當激光脈沖消失后,沖擊區域的材料發生塑性應變,但因受到周圍材料的約束反作用,便在沖擊區的表層中產生殘余壓應力。

    1.2試驗材料與試樣制備

    試驗所用母材為厚度2.5 mm316奧氏體不銹鋼板材,考慮到焊接材料的耐腐蝕性,以及與基體材料的結合性,提高焊接質量,焊縫材料選用316L不銹鋼,材料的化學成分(質量分數)如表1所示。

    為了盡可能地避免焊接缺陷,在焊接前對試件進行打磨去污、清洗吹干等處理。焊接設備采用NSA-300型直流手工鎢極氬弧焊機,利用惰性氣體作保護氣體,通過鎢極與焊件之間產生的電弧加熱和熔化焊件及填充金屬,形成焊接接頭。按照圖3所示形狀及尺寸制備試驗所需的應力腐蝕試樣,其中的圓孔是為了方便夾具夾持。圖中陰影部分為焊縫區,虛線方框區域表示激光沖擊強化區。激光沖擊強化試驗選用型號為SGR-25Nd:YAG激光沖擊強化設備,沖擊路徑為垂直于焊縫方向沖擊。為了減少應力腐蝕薄弱區,對試樣四周分別進行了強化。具體沖擊工藝參數見表2,其中吸收保護層采用膠帶,約束層為水。

    激光等離子體沖擊波壓力與強化效果有著直接關系,而根據Fabbro關系的經驗壓力模型可知,影響激光沖擊壓力的激光參數可綜合為激光功率密度。根據激光沖擊參數(激光能量、能量密度、脈沖寬度等)估算公式,計算得到316奧氏體不銹鋼焊接試樣激光沖擊強化的功率密度范圍約為0.92~11.3 GW/cm 2。

    1.3試驗方法

    影響激光沖擊強化效果的主要因素是激光功率密度和沖擊次數。為了探求沖擊參數對材料表面應力場的影響,分別采用不同的激光功率密度和沖擊次數處理試樣,通過表面殘余應力及其分布測試,分析沖擊參數對Fig.4 Pointsdistributionofresidualstresstest4殘余應力測試點分布圖材料表面應力場的優化作用。殘余應力測試采用X射線衍射法,使用X-350AX射線應力分析儀進行。其中衍射晶面為{220}晶面,應力常數為-601 MPa,掃描2θ角范圍138°~121°,掃描步距為0.10 s-1,計數時間為0.5 s。本文采用平均應力的觀點,通過測試點的殘余應力特征,近似表示表面殘余應力及其分布特征,并對比分析激光沖擊強化處理對試件應力狀態的影響。測試點的分布如圖4所示,為了減小測量誤差,每個點測試四次,取平均值作為該點的殘余應力值。

    2試驗結果與分析

    2.1激光功率密度的影響

    根據估算得到的激光功率密度范圍,取激光功率密度為1.41,2.83,4.24 GW/cm 2,分別對焊接試樣進行沖擊強化。圖5是殘余應力測試結果?梢钥闯,焊接試樣焊縫及熱影響區均存在較大的殘余拉應力,從焊縫中心到基體的方向上,殘余拉應力先增大再減小。其中以熔合區最大,達到約330 MPa。這是因為焊接過程中熔合區冷熱變化最為劇烈,且是基體材料與焊縫接合處,材料結構組織變化最大,故形成的殘余拉應力相對較大。激光沖擊強化后,焊接接頭殘余拉應力有明顯的下降,且隨著激光功率密度增加,表面殘余拉應力越來越小,但下降的幅度則逐漸減小。功率密度2.83 GW/cm 24.24GW/cm 2沖擊后,殘余應力相差不多。隨著功率密度增大,殘余應力的性質也發生了變化,以功率密度2.83 GW/cm 2沖擊后,焊縫區和部分熱影響區都產生了殘余壓應力,但熔合區的殘余應力還是正值,功率密度4.24 GW/cm 2沖擊后也未有明顯下降。說明在高功率密度4.24 GW/cm 2作用下還不足以完全消除殘余拉應力。這是因為激光脈沖功率密度越高,激光誘導的沖擊波峰值壓力超過材料動態屈服強度的幅值越大,表面變形也就越大,因此產生的表面殘余壓應力也越大。但當激光功率密度大于某一值時,將在約束層中產生等離子體,并導致等離子體的電離雪崩,致使約束層絕緣擊穿。這種絕緣擊穿效應使穿過約束層的激光能量減少,限制了沖擊波峰值壓力的增加。因此達到一定功率密度之后,殘余壓應力并不隨激光功率密度的增加而增加。

    2.2激光沖擊次數的影響

    考慮到功率密度2.83 GW/cm 24.24 GW/cm 2兩次沖擊后產生的殘余應力值相差不大,所以選取激光功率密度2.83 GW/cm 2,分別對焊接試樣進行1,2,3次沖擊強化,探究沖擊次數對表面殘余應力的影響。圖6是不同次數沖擊之后的殘余應力分布圖。隨著沖擊次數增加,殘余拉應力越來越小,并且逐漸轉化成了殘余壓應力。沖擊次數越多,殘余壓應力越大。經過3次沖擊后,整個焊接接頭表面的殘余拉應力完全消除,形成了高于150 MPa的殘余壓應力層,且局部最高應力梯度從54.7MPa/mm減小至11.7 MPa/mm。熔合區是溫度與組織變化最為劇烈的區域,晶粒相對粗大。激光沖擊具有細化晶粒的作用,沖擊次數越多,細化程度越高,與基體組織更為接近。故3次沖擊之后,組織均勻程度提高,應力梯度也相應減小。

    多次沖擊可以增大表面殘余壓應力,并且優化表面殘余壓應力分布。但激光沖擊會使材料表面發生硬化現象,增大材料的動態屈服強度,從而使材料的塑性變形更加困難。因此殘余壓應力不會隨著沖擊次數增加而一直增大。此外,沖擊次數過多,會使材料表面形變過大,并增加表面粗糙度。以功率密度2.83 GW/cm 2沖擊3次之后,殘余壓應力分布已經變得較為均勻,應力梯度明顯減小,取得了較為理想的強化效果。

    2.3強化效果對比

    采用同樣的沖擊參數(功率密度2.83 GW/cm 2,沖擊3)對不銹鋼光板試樣進行沖擊,以對比分析激光沖擊強化對焊接接頭表面殘余應力狀態的優化效果。圖7為焊接試樣、光板試樣和強化試樣的殘余應力分布圖。由圖可見,沖擊之后光板試樣表面獲得了約100MPa的殘余壓應力,且分布均勻,沒有明顯的變化。焊接試樣在強化之后,應力分布得到顯著改善,除了焊縫區與熱影響區有較小的應力梯度外,整體上與光板試樣的基本一致,而且獲得了比光板試樣更大的殘余壓應力。激光沖擊強化對焊接接頭的殘余應力狀態起到了良好的優化效果。

    2.4應力腐蝕試驗

    應力腐蝕是在拉應力和腐蝕介質的共同作用下發生的,殘余拉應力狀態的改變會對焊接接頭的應力腐蝕性能造成影響。根據得到的優化參數(功率密度2.83GW/cm 2、沖擊3)沖擊焊接試樣,得到強化試樣,90℃恒溫條件下的FeCl 3腐蝕液中進行恒應力拉伸應力腐蝕試驗。試驗分兩組進行,強化試樣和焊接試樣每組各兩個。圖8為應力腐蝕表面形貌圖,可以看出,焊接試樣的腐蝕速率明顯比強化試樣的快,相同的時間里,相比于焊接試樣,強化試樣的腐蝕輕微得多。如腐蝕108 h,焊接件的腐蝕已經深入材料內部,而強化件表面只出現一個腐蝕點坑。試樣的腐蝕斷裂時間如表3所示。其中,強化試樣的平均腐蝕斷裂時間為149.5 h,焊接試樣的平均腐蝕斷裂時間為112 h,強化試樣的應力腐蝕斷裂時間比焊接試樣提高了33.48%。表面應力狀態的優化顯著提高了焊接接頭的應力腐蝕性能。

    根據應力腐蝕表面膜破裂機理,在一定的受力情況下,金屬表面鈍化膜會發生破裂,使基體金屬與腐蝕介質相接觸,產生快速陽極溶解,形成應力腐蝕。焊接過程在材料內部形成了殘余拉應力,在與拉伸載荷的疊加作用下,表面鈍化膜容易破裂,同時拉應力對滑移階梯有張開作用,腐蝕更容易深入金屬內部,從而加快腐蝕速率。激光沖擊處理消除了焊接接頭表面殘余拉應力,并且產生數百MPa的殘余壓應力。殘余壓應力對拉伸載荷具有顯著的抵消作用,因而對試樣表面鈍化膜的破裂起了明顯的延緩作用,腐蝕點坑不易形成,從而提高應力腐蝕抗力。

    3結論

    本文研究了激光沖擊對不銹鋼焊接接頭殘余應力場的影響,得到以下結論:

    (1)激光功率密度增加,不銹鋼焊接接頭表面殘余拉應力有明顯下降,但下降幅度逐漸減小,功率密度2.83 GW/cm 24.24 GW/cm 2沖擊產生的殘余應力相差不大,由于約束層絕緣擊穿效應,高功率密度不能完全消除焊接殘余拉應力;以功率密度2.83 GW/cm 2沖擊3次之后,表面殘余拉應力全部得到消除,且形成上百MPa的殘余壓應力,局部最高應力梯度從54.7 MPa/mm減小至11.7 MPa/mm,不銹鋼焊接接頭的表面殘余應力得到了有效優化。

    (2)采用優化參數(功率密度2.83 GW/cm 2、沖擊3)強化之后,焊接試樣的應力腐蝕斷裂時間從112 h上升到149.5 h,提高了33.48%,激光沖擊強化形成的殘余壓應力對拉伸載荷的抵消作用,是提高焊接試樣應力腐蝕性能的重要原因。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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