超声冲击对厚板异种钢T型焊接接头组织与硬度的影响.pdf

6D0I:10.11973/gccl202311002MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGVol.47 No.11 Nov.20232023年11月第47 卷第11期2023机械工程材料超声冲击对厚板异种钢T型焊接接头组织与硬度的影响汪子，张俊，孙高辉，全顺红?，刘华兵”，甘进，吴卫国3，汪舟*（1.武汉理工大学船海与能源动力工程学院，武汉43 0 0 6 3；2.中铁重工有限公司，武汉43 0 0 6 3；3.武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心，武汉43 0 0 6 3；4.武汉理工大学汽车工程学院，武汉43 0 0 6 3）摘要：在18,2 7 m冲击振幅下对Q420qD/20MnMoNb厚板异种钢T型焊接接头焊趾区进行超声冲击处理，分析了不同冲击振幅下焊趾处的显微组织、残余应力以及显微硬度，并与超声冲击前的进行了对比。结果表明：超声冲击处理后焊趾表层出现塑性变形层、大量位错及较高残余压应力，晶粒细化，硬度提高。当超声冲击振幅由18 m增至2 7 m，塑性变形层深度由约12 0 m增大至144m，亚晶尺寸进一步细化至约2 5nm，位错密度进一步增大至约2.48 X1014m；表面残余压应力增大至约43 3 MPa，其影响深度增大至约1410 m；表面硬度增大至约40 0 HV，硬化层深度增加至约90 0 m。关键词：超声冲击；厚板T型焊接接头；显微组织；残余应力；硬度中图分类号：TG176文献标志码：A文章编号：10 0 0-3 7 3 8(2 0 2 3)11-0 0 0 6-0 6Effect of Ultrasonic Impact on Microstructure and Hardness ofThick Plate Dissimilar Steel T-type Welded JointsWANG Zizhao,ZHANG Jun,SUN Gaohui?,QUAN Shunhong,LIU Huabing,GANJin,WUWeiguol.3,WANG Zhou*(1.School of Naval Architecture,Ocean and Energy Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.China Railway Heavy Machinery Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China;3.Green&Smart River-Sea-Going Ship,Cruise and Yacht Research Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;4.School of Automotive Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)Abstract:Ultrasonic impact was conducted on the weld toe region of Q420qD/20MnMoNb thick platedissimilar steel T-type welded joints with 18,27 m impact amplitudes,and the microstructure,residual stress andmicrohardness at the weld toe were analyzed under different impact amplitudes,and compared with those beforeultrasonic impact.The results show that after ultrasonic impact,a plastic deformation layer,a lot of dislocationsand a high compressive stress appeared on the surface layer of the weld toe,the grains were refined,and thehardness increased.When the ultrasonic impact amplitude increased from 18 m to 27 m,the depth of the plasticdeformation layer increased from about 120 m to 144 m,the subcrystalline was further refined to about 25 nm insize,and the dislocation density increased to about 2.48 X1ol*m-?;the residual compressive stress on the surfaceincreased to about 433 MPa and its affected depth increased to about 1 410 m;the surface hardness increased toabout 400 HV and the depth of hardening layer increased to about 900 m.Key words:ultrasonic impact;thick plate T-type welded joint;microstructure;residual stress;hardness收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 1；修订日期：2 0 2 3-10-15基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（518 7 92 0 8）；湖北省自然科学基金青年项目（2 0 2 3 1j0222）作者简介：汪子钊（1998 一），男，湖北黄冈人，硕士研究生通信作者（导师）：刘华兵助理研究员0引言海洋工程、航空航天、核电装备等工业的不断发展，对设备中焊接结构的性能提出越来越高的要求，焊接结构也向着大厚度、高强度和大型复杂化的方MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING汪子钊，冲击对厚板异种钢T型焊接接头组织与硬度的影响2023机械工程材料向发展 1-2。目前，厚板(厚度大于2 0 mm)多采用多层多道焊接方式，焊接过程中熔敷金属经历多次热循环，造成焊缝区域残余应力分布复杂且幅值较大，当受到外载荷的作用时，两者的叠加会加快疲劳裂纹的萌生和扩展 3-41。异种金属焊接接头由于组成材料之间热物理性能、力学性能和显微组织的差异，相较于同质金属焊接接头，产生了更大的焊接残余应力 2。因此，对大厚度异种金属焊接结构焊接残余应力进行有效调控是目前工程上呕待解决的问题。目前，主要通过热处理、振动时效和表面强化处理方法对焊接残余应力进行调控。其中，表面强化处理方法如超声冲击、喷丸、激光喷丸、滚压等均可以消除焊接残余拉应力并引人压应力及细化表层组织，从而提升其抵抗摩擦、应力腐蚀和疲劳的能力 5-7，因而广泛应用于工业生产中。超声冲击处理(ultrasonic impact treatment，U IT)是一种较新且有效的应力调控技术，具有使用灵活方便、不受工件几何形状和大小的限制、效率高、成本低和适用性强等优点门研究 8-13 1发现，超声冲击处理可以优化同质金属焊接结构组织及消除焊接残余拉应力，然而目前缺乏对厚板异种钢超声冲击后变形层组织、残余应力场和力学性能的综合研究。T型焊接接头中焊趾处较大程度的应力集中导致焊接残余应力的不利影响更加突出。为了降低T型焊接接头的焊接残余拉应力和焊趾处的应力集中，作者采用超声冲击处理对桥梁用Q420qD/20MnMoNb异种钢厚板T型焊接接头进行强化处理，研究了不同振幅超声冲击对该T型接头显微组织、残余应力分布和硬度的影响，以期为超声冲击在该异种钢焊接结构组织和残余应力调控方面的应用提供一定指导。1试样制备与试验方法1.1试样制备选用Q420qD/20MnMoNb异种钢T型焊接接头作为试验对象。其中，Q420qD高强钢底板的尺寸为6 0 0 mmX300mmX40mm，2 0 M n M o Nb 锻钢立板的尺寸为6 0 0 mm200mm60mm，立板垂立于底板中央。焊接填充材料为直径1.2 mm的EG55-G-6实心焊丝。母材与焊丝熔敷金属的化学成分和力学性能分别见表1和表2。采用CO，气体保护多层多道焊制备Q420qD/20MnMoNb异种钢T型焊接接头，施焊前采用烘枪对焊接坡口两侧100mm宽度范围进行预热处理，预热温度约为150，层间温度约为10 0，坡口形式及焊道布置见图1，具体的焊接工艺参数如表3 所示。焊接结束后，采用超声波探伤对焊缝质量进行检查，不得有裂纹、未熔合、夹渣、咬边和未填满弧坑等缺陷。采用HJ-III型超声冲击设备对焊接接头进行超声冲击处理，冲击区域为左、右侧焊缝（每侧各包括2 道焊趾，共4道焊趾），如图2 所示。在焊趾部位沿着焊缝方向进行匀速超声冲击处理，冲击宽度为10 mm，超声频率为17.9kHz，冲击振幅为18，27m,单根冲击针的直径为3 mm，冲击处理速度为6 0 mmmin-1。超声冲击完成后，若用10 倍放大镜能查看到焊趾区域形成一条连续、均匀、光亮的凹槽，则说明原有焊趾全部被冲击处理到表1母材和焊丝熔敷金属的化学成分Table 1Chemical composition of base metal and deposited metal of welding wire质量分数/%材料CMnSiPSCrNiMoNbQ420qD钢0.0701.530.200.0140.0030.170.150.0100.03120MnMoNb钢0.1901.430.230.0060.0020.100.140.5100.033熔敷金属0.0611.550.620.0120.0080.310.010.002表2母材和焊丝熔敷金属的力学性能Table2Mechanical properties of base metal anddeposited metal of welding wire材料屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%Q420qD钢48358822.020MnMoNb钢50563923.0熔敷金属53261426.01.2试验方法利用线切割设备切割T型焊接接头焊缝的一侧超声冲击处理区域，试样尺寸为5mmX5mmX5mm，试样经镶嵌、打磨、抛光，用体积分数4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后，利用AxioVertA1型光学显微镜对焊趾处的截面显微组织进行观察。采用Miniflex600型X射线衍射仪（XRD)对超声冲击前后焊趾18MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING汪子钊，声冲击对厚板异种钢T型焊接接头组织与硬度的影响2023机械工程材料60220(a)坡口形式3128223019272118122429/2620172(b)焊道布置图1焊接接头的坡口形式和焊道布置Fig.1Bevel form(a)and welding channel arrangement(b)ofwelded joint表3 火焊接工艺参数Table 3Welding process parameters焊接电流/焊接电压/焊接速度/焊道焊道编号AV(mmamin-l)打底焊1522024030322934填充焊622,262824026032344045盖面焊2325,293124026032344045焊趾2焊趾1图2 走超声冲击处理部位Fig.2Ultrasonic impacttreatment site和焊趾2 表面进行微观结构分析，采用铜靶，管电压和管电流分别为40 kV和3 0 mA，扫描速率为2（）min-1,扫描步长为0.0 2。采用Voigt单峰分析法 14-15对XRD谱进行线形分析处理，计算得到表层的亚晶尺寸和微观应变。利用Williamson方法 16 计算超塑性变形层的位错密度，计算公式为2V/3e*)1/2(1)bD式中：b为伯氏矢量，2.48 2 5nm；为微观应变的加权平均值；D为亚晶尺寸。利用-X360s型便携式X射线残余应力分析仪对超声冲击前后T型焊接接头焊趾处的残余应力进行测定，测试路径为沿塑性变形层深度方向，在测试过程中采用电解抛光机对试样进行电化学腐蚀剥层，电化学腐蚀介质为饱和NaCl溶液，电压为15V,每次腐蚀10 s，腐蚀后用乙醇和丙酮对表面进行擦拭。采用HV-10Q0A型显微硬度计对焊趾部位的不同深度硬度进行测试，测试点位于焊趾表面中心部位并垂直于表面方向，通过电化学腐蚀剥层处理达到不同深度，剥层深度通过高精度千分表测得，电化学腐蚀剥层过程与残余应力测试时一致。硬度测试时载荷为1.96 N，保载时间为15s，测试间距为50 m。2试验结果与讨论2.1表面粗糙度和塑性变形层深度由图3 可以看到：当超声冲击振幅为18 m时，接头焊趾处表面凹凸不平，近表层组织严重变形，呈流线状分布特征，塑性变形层深度约为120m，塑性变形层与未变形区过渡良好，未出现明显界面；当超声冲击振幅增大至2 7 m时，表面凹凸不平程度增加，塑性变形层深度增至144m。这表明提升超声冲击振幅会增加接头焊趾处的表面10um(a)18 m100um(b)27 m图3经不同振幅超声冲击后焊趾1处的截面显微组织Fig.3Sectional microstructures at weld toe 1 after ultrasonicimpactwithdifferentamplitudes9MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING汪子钊冲击对厚板异种钢T型焊接接头组织与硬度的影响2023机械工程材料粗糙度以及塑性变形层深度。2.2亚晶尺寸与位错密度由图4可以看出：超声冲击处理前后焊趾处的主要物相均为铁相（JCPDSNo.06-0696），说明超声冲击不会改变焊接接头表面的物相组成；超声冲击处理后的衍射峰宽度明显增加，并且冲击振幅为18m的衍射峰宽度更大，这主要与超声冲击引起的晶粒细化和微观应变有关 17 27m,超声冲击焊趾227m,超声冲击焊趾118m,超声冲击焊趾218m,超声冲击焊趾1(110)未冲击焊趾(211)(200)人40506070809020/()图4未冲击焊趾和不同振幅超声冲击焊趾表面的XRD谱Fig.4SSurface XRD spectra of unimpacted weld toe and of weld toeafter ultrasonic impact with different amplitudes由表4可以看出：与超声冲击前相比，超声冲击后焊趾表层的亚晶尺寸明显减小，微观应变增大，位错密度提高了约2 个数量级。推测超声冲击处理使接头表层产生剧烈的塑性变形，从而细化了表层亚晶尺寸，导致晶格发生了严重的畸变，并引人了大量位错。当冲击振幅由18 m增加至2 7 m后，亚晶尺寸进一步细化，晶格畸变更加严重，位错密度进一步增大。由于不同焊趾处母材的组织不一致，经超声冲击处理后的塑性变形程度不同，因此晶粒细化程度和位错密度不同。表4超声冲击前后焊趾表层的亚晶尺寸、微观应变和位错密度Table4Subcrystalline size,microstrain and dislocationdensity of weld toe surface layer before and afterultrasonic impact晶粒尺寸/微观应变/位错密度/试样nm10-3m2未冲击焊趾291.151.3076.26X101218m振幅超声冲击焊趾133.084.7962.02X101418m振幅超声冲击焊趾240.154.3701.52X101427m振幅超声冲击焊趾125.094.4582.48X101427m振幅超声冲击焊趾229.034.9742.39X10142.3残余应力由图5可以看出，未经过超声冲击处理的焊趾300焊趾线2501200150焊缝中心10050010102030405060距离/mm图5未超声冲击焊趾表面的残余应力分布Fig.5Residual stress distribution on surface of non-ultrasonicimpact weld toe表面存在焊接残余拉应力，达到2 0 0 2 7 0 MPa。由图6 可以看出：经过超声冲击处理后，焊趾表层出现较高水平的残余压应力，且最大残余压应力均出现在表面，随着距表面距离的增大，残余压应力减小并转变为拉应力。超声冲击残余应力场的分布规律可以利用WOHLFAHRT等 18 提出的赫兹压力模型进行解释，即残余应力的分布主要由表层的塑性延伸和赫兹压力引起次表层的塑性变形2 个相互竞争的过程决定；由于试验研究的异种钢T型焊接结构在其焊趾处的硬度低于3 0 0 HV，超声冲击针头与焊趾处接触面积较大，表层的塑性延伸会吸收冲击针大部分的能量，因此最大压应力出现在表面。在焊趾1处，随着冲击振幅由18 m增加到2 7 m，表面最大残余压应力由40 3 MPa增至43 3 MPa，增加幅度为7%，残余压应力的影响深度由1190 m增至13 90 m。在焊趾2 处，表面最大残余压应力由363MPa增至419MPa，提高幅度为15%，残余压应力的影响深度由12 6 0 m增至1410 m。焊趾1和焊趾2 在相同超声冲击振幅下的残余压应力大200100010020030018 m,焊趾118m,焊趾2-400+27um,焊趾1+27um,焊趾2-500040080012001600距表面距离/um图6不同振幅超声冲击处理后焊趾1和焊趾2 处的残余应力随距表面距离的变化曲线Fig.6Curves of residual stress vs distance from surface of weldtoe 1 and weld toe 2 after ultrasonic impact with differentamplitudes10MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING汪子钊，等超声冲击对厚板异种钢T型焊接接头组织与硬度的影响2023机械工程材料小和影响深度也存在差异，即焊趾1处的表面残余压应力更大，但影响深度较浅，这主要是由于这2 个区域的初始组织、焊接残余应力等均存在差异，经过相同强度超声冲击处理后的塑性变形程度不一致。2.4显微硬度由图7 可以看出，超声冲击处理后，焊趾处表面的显微硬度最高，随距表面距离的增大显微硬度逐渐降低直至基体硬度（2 50 HV）。经过振幅为18 m和2 7 m的超声冲击处理后，焊趾1处的表面硬度分别为3 15，40 0 HV，较基体提高了2 6%和6 0%，而焊趾2 处的表面硬度分别为2 8 7,3 90 HV,较基体分别提高了2 2%和6 6%。当超声冲击振幅为18 m时，焊趾处硬化层的深度约为6 0 0 m，而当冲击振幅提高到2 7 m时，硬化层深度也增加至约90 0 m，可见随着冲击振幅的增加，加工硬化层深度增大。450-18m,焊趾118m,焊趾240027 m,焊趾1+27m,焊趾2AH/35030025020002004006008001000距表面距离/um图7不同振幅超声冲击处理后焊趾1和焊趾2 处的硬度随距表面距离的变化曲线Fig.7Curves of microhardness vs distance from surface of weldtoe 1 and weld toe 2 after ultrasonic impact with differentamplitudesTABOR等 19认为，显微硬度可以直接反映材料的加工硬化程度，间接反映材料的屈服强度大小。显微硬度H 与屈服强度。之间存在以下关系 2 0:H=Co(2)式中：C为常数，取0.3。根据Hall-Petch经验公式 2 1，屈服强度和晶粒尺寸之间的关系如下：=00+KD-1/2(3)式中：6。为材料充分退火后的屈服强度；K为取决于材料晶体结构的常数。此外，可以用Bailey-Hirsch公式 2 2 来描述位错密度和屈服强度之间的关系，公式如下：g=go+ubpl1/2（4)式中：为材料的切变模量；为常数。由式（3)和式（4)可知，减小晶粒尺寸和增加位错密度均能够提高材料的硬度。超声冲击处理明显细化了焊趾区域表层的晶粒尺寸并引人了大量位错，并且2 7 m冲击振幅下的表面晶粒细化程度更高，引人的位错更多，因此硬度更高。3结论（1）超声冲击处理后Q420qD/20MnMoNb异种钢T型焊接接头焊趾区域表层出现塑性变形层，当超声冲击振幅由18 m增至2 7 m时，塑性变形层深度由约12 0 m增大至144m；与超声冲击前相比，超声冲击后焊趾表层的亚晶尺寸明显减小，微观应变增大，位错密度提高约2 个数量级，并且当冲击振幅由18 m增加至2 7 m后，亚晶尺寸进一步细化至约2 5nm，位错密度进一步增大至约2.48 X1014 m=2。（2）超声冲击处理在焊趾表层引人了较高水平的残余压应力，最大残余压应力出现在表面；当冲击振幅由18 m增加至2 7 m后，表面残余压应力增大至约43 3 MPa，影响深度增大至约1410 m。（3）超声冲击通过细化晶粒和引人位错提升了焊趾表层的硬度，且硬度最大值出现表面；当冲击振幅由18 m增加至2 7 m时，表面硬度增大至约400HV，硬化层深度增加至约90 0 m。参考文献：1白易立，王东坡，邓彩艳，等.超声冲击强度对焊接接头疲劳寿命的影响 J.焊接学报，2 0 19，40（12）：149-153.BAI Y L,WANG D P,DENG C Y,et al.Effect of ultrasonicimpact strength on fatigue life of welded joints J.Transactions of the China Welding Institution,2019,40(12):149-153.2蔡建鹏，何静，张彦杰，等.Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形的分析 J.焊接学报，2 0 16,3 7（1)：7 1-7 5.CAIJ P,HE J,ZHANG Y J,et al.Study on welding residualstress and distortion of Q345/SUS304 dissimilar steel buttweldJJ.Transactions of 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