激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响（I）

当短脉冲、高峰值功率密度（＞10^13W/m^2)的激光辐射金属靶材时,就产生高温、高压等离子体,该等离子体受到约束层的约束时产生高强度应力波冲击金属表面并向内部传播,在材料表面产生应变硬化,称这种表面强化技术为激光冲击处理或激光喷丸。激光冲击处理可以提高材料表层硬度、强度,并获得比传统的喷丸技术更深的硬化层或残余压应力层,从而更有利于材料疲劳性能的提高,为研究激光冲击处理在焊后强化方面的应用,本文对1．66mm厚的镍基高温合金GH30、1．2mm厚的奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti板材焊缝进行了激光冲击处理,对比了激光冲击处理试件和未激光冲击处理试件焊缝的表层显微硬度、残余应力、抗强度和疲劳寿命,发现激光冲击处理能提高GH30氩弧焊接接头抗拉强度12％,提高1Cr18Ni9Ti等离子焊接接头疲劳寿命300％以上。     

激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响

上文对GH30、1Cr18Ni9Ti焊缝进行了激光冲击处理,试验发现激光冲击处理提高G30焊接接头强度12％,仅对疲劳寿命影响不明显;冲击提高1Cr18Ni9Ti焊接接头强度仅为5％,但提高疲劳寿命300％以上。为作进一步分析,本文测试了两种金属焊缝在有无激光冲击处理条件下的表面显微硬度分布和残余应力状态,并对GH30试件疲劳断口进行扫描电镜分析。经分析发现,激光冲击处理能显著提高GH30焊缝表层的显微硬度,也可以提高抗拉强度并获得较高的表面残余压应力,因此强化区域能抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,降低裂纹扩展速率,但由于焊缝较宽,激光冲击光斑未能完全覆盖焊缝及热影响区,部分未冲击区域影响了疲劳寿命的提高。1Cr18Ni9Ti在等离子焊接过程中产生相变马氏体,减弱了激光冲击处理产生形变马氏体对提高显微硬度的作用,因此对抗拉强度影响不大,但激光冲击处理可以使焊缝表面获得较高的表面残余应力,因此能明显提高疲劳寿命。     

激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响（Ⅱ）

上文对GH3 0、1Cr18Ni9Ti焊缝进行了激光冲击处理 ,试验发现激光冲击处理提高GH3 0焊接接头强度 12 % ,但对疲劳寿命影响不明显 ;冲击提高 1Cr18Ni9Ti焊接接头强度仅为 5 % ,但提高疲劳寿命 3 0 0 %以上。为作进一步分析 ,本文测试了两种金属焊缝在有无激光冲击处理条件下的表面显微硬度分布和残余应力状态 ,并对GH3 0试件疲劳断口进行扫描电镜分析。经分析发现 ,激光冲击处理能明显提高GH3 0焊缝表层的显微硬度 ,也可以提高抗拉强度并获得较高的表面残余压应力 ,因此强化区域能抑制疲劳裂纹的萌生和扩展 ,降低裂纹扩展速率 ;但由于焊缝较宽 ,激光冲击光斑未能完全覆盖焊缝及热影响区 ,部分未冲击区域影响了疲劳寿命的提高。 1Cr18Ni9Ti在等离子焊接过程中产生相变马氏体 ,减弱了激光冲击处理产生形变马氏体对提高显微硬度的作用 ,因此对抗拉强度影响不大 ,但激光冲击处理可以使焊缝表面获得较高的表面残余压应力 ,因此能明显提高疲劳寿命。     

高频冲击对0Cr18Ni9/GH4169焊接接头残余应力和性能的影响

对3 mm厚的0Cr18Ni9与GH4169试板进行氩弧焊对接焊接,之后对试板焊接接头及附近区域进行高频冲击工艺处理,采用盲孔法对焊接试板进行残余应力检测,通过拉伸和疲劳试验,对比了高频冲击工艺处理前后的0Cr18Ni9/GH4169异种钢焊接接头力学性能的变化。试验结果表明：未经高频冲击处理的试验焊接试件焊趾残余应力均为拉应力,经过高频冲击处理之后的试验焊接试件焊趾残余应力均为压应力;经过高频冲击处理之后的试验焊接试件的抗拉强度和疲劳寿命均有明显提升,但塑性基本无变化。     

激光冲击强化对不锈钢焊接接头拉伸性能的影响

利用激光冲击强化对12Cr2Ni4A不锈钢焊接接头进行处理,比较了激光冲击一次和二次前后焊接接头拉伸性能、显微硬度和表面残余应力.结果表明,12Cr2Ni4A 焊接试件经过二次激光冲击强化后,显微硬度提高了50%,抗拉强度由818.5 MPa提升至863.8 MPa,并且断裂区域由焊接热影响区转移至基体处,焊接试件的拉...     

激光冲击消除焊接残余应力

对现有焊接残余应力的理论进行分析,讨论激光冲击处理消除焊接残余应力的可行性,认为短脉冲高峰值功率密度的激光冲击焊接接头产生的等离子体冲击波,可使焊接接头表面产生塑性应变,能有效消除焊接残余拉应力。文章设计了激光冲击强化12Cr2Ni4A钢焊接接头试验,通过选择不同焊接材料和焊接方式,设计了4种焊接状态,分别进行激光冲击强化。试验结果表明,激光冲击强化均能消除氩弧焊和等离子焊等焊接方式的焊接残余拉应力,改善焊接接头表面的力学分布,在选用NAK80焊材和等离子体焊方式时,形成的残余压应力幅值高达884MPa,极大提升了焊接接头的力学性能。     

承载超声冲击下焊接接头疲劳性能的改善

采用承载超声冲击处理的方法对20号钢T形管接头进行处理,并与原始焊态、非承载冲击处理态试件进行了对比.结果表明,在高应力比R=0.75的加载条件下,与原始焊态接头相比,非承载超声冲击和承载超声冲击的疲劳强度分别提高了23%和70%,疲劳寿命分别延长了1.4倍和5.6～8.5倍.从超声冲击处理区域表层组织、接头焊趾区表层硬度、焊接接头残余应力等方面比较了承载和非承载超声冲击提高焊接接头疲劳性能的异同,并采用有限元软件ABAQUS模拟了两种超声冲击处理下焊接接头的应力分布,与非承载冲击处理试件相比,承载冲击处理试件表面压缩应力值大,压缩应力层深.     

激光冲击强化对7050铝合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化对7050 T7451铝合金小孔结构显微硬度、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:当激光能量为30 J、光斑直径ø4 mm,冲击2次时,7050 T7451铝合金显微硬度显著提高,表层硬度相对于母材提高约12%且硬化层深度可达1 mm;残余压应力幅值超过300 MPa,影响深度可达约1 mm,明显大于喷丸强化残余应力影响层深度。激光冲击诱导的残余压应力可提高疲劳裂纹的萌生抗力,其较深的残余压应力层则有利于延长裂纹的扩展寿命。激光冲击强化后小孔结构疲劳寿命相对于母材提高了4.7~17.6倍,且其疲劳寿命增益及稳定性明显优于喷丸强化。     

激光冲击强化对镍基高温合金疲劳寿命的影响

对镍基高温合金(GH742)试件进行激光冲击强化处理,测量了合金在处理前后试样表面的残余应力、疲劳寿命,观察了表面金相组织。结果表明,激光冲击凹坑处的残余应力高达-910～-1160MPa;金相分析显示激光冲击强化使材料内部晶粒细化;激光冲击强化能提高GH742材料试件的疲劳寿命1.5～4倍。     

表面纳米化焊接接头力学性能研究

采用超音速微粒轰击(Supersonic Particles Bombarding)技术对0Cr18Ni9Ti不锈钢和16MnR低合金钢焊接接头表面进行处理,利用金相显微镜和透射电镜对材料表层结构进行表征,并测量了处理后焊接接头表层硬度、拉伸性能、弯曲性能和残余应力.结果表明:经超音速微粒轰击处理可以在焊接接头表层形成尺寸均匀的纳米晶组织,而且纳米化结构表层的硬度远高于心部,材料的抗拉强度和屈服强度均有提高.     

发动机1Cr11Ni2W2MoV叶片激光冲击强化的应用研究

激光冲击强化是一种新型表面处理技术,利用高功率激光束冲击金属零件表面,在零件表面形成较大的残余压应力,可有效改善零件的疲劳性能。以发动机1Cr11Ni2W2MoV叶片为研究对象,对其进行了激光冲击强化处理,研究强化处理对材料的微观组织和疲劳性能的影响。研究结果表明:相比未处理试样,激光冲击强化在1Cr11Ni2W2MoV叶片材料表层形成较大的残余压应力,表层晶粒更为细化,叶片的疲劳寿命提高1.7倍。     

超声冲击及焊缝余高对6082铝合金焊接接头疲劳性能的影响

本文对6082铝合金焊接接头分别进行超声冲击处理和磨平焊缝余高处理,研究残余应力和应力集中对焊接接头疲劳性能的影响。结果表明:经超声冲击处理后,接头焊趾及其附近区域表层晶粒明显细化;焊趾处由冲击前的残余拉应力转变为残余压应力,其疲劳寿命得到提高;超声冲击前后接头疲劳裂纹均萌生于焊趾部位,而磨平焊缝接头的疲劳裂纹大多萌生于母材圆弧过渡处。无论冲击与否,疲劳断裂机制均为准解理断裂。当超声冲击电流为1.0 A、冲击时间为2 min时,与未超声冲击试样相比,6082铝合金接头疲劳寿命提高11.18%,无余高接头相对焊接接头疲劳寿命提高30.71%。接头表层金属晶粒尺寸、残余应力以及应力集中是影响6082铝合金焊接接头疲劳性能的主要因素。     

表面处理对7系铝合金MIG焊对接接头力学性能的影响

喷砂、喷丸可以有效地改善焊接接头的表面残余应力状态,提高力学性能。本文比较了相同工艺条件下利用钢丸、玻璃丸、棕刚玉表面强化对7B05铝合金MIG焊对接接头表面形貌、表面残余应力及疲劳寿命的影响。结果表明:丸粒形状对试件表面完整性具有显著影响;喷砂、喷丸后表面形成较大的残余压应力;喷丸可使接头疲劳寿命提高,而喷砂处理反而降低了接头的疲劳寿命。     

激光冲击强化改善2A12高强铝合金疲劳寿命的试验研究

采用激光冲击强化工艺对2A12铝合金试件进行表面处理,借助先进的测试方法分析试件表层显微硬度、残余应力与表面变形量的分布特点,并研究低应力下的高周疲劳寿命改善效果。结果表明,激光冲击强化可在试件表层引入较浅的显微硬度与残余应力影响层及较为显著的表面变形量,随激光能量增大则其影响程度增加且呈现出中心均匀边缘非均匀的特点。表层残余应力场是改善试件疲劳寿命的最主要因素。     

激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性研究

研究激光温喷丸强化铝合金焊接接头的表面残余应力释放规律及其对疲劳寿命的影响。以6061-T6铝合金焊接接头为研究对象,分别采用激光温喷丸和常温激光喷丸强化处理,围绕抗拉疲劳寿命与残余应力释放规律开展研究。使用XRD衍射方法检测疲劳过程中焊缝及热影响区的残余压应力,研究激光温喷丸诱导残余压应力的释放规律,并基于J-C本构模型推导循环载荷作用下残余应力释放的分析模型。在应力比0.1,最大应力120 MPa,频率10Hz,拉拉正弦波加载条件下,比较测试激光温喷丸、激光喷丸和未喷丸试样的抗拉疲劳寿命。结果表明,激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性大幅提高,并最终显著提高了接头的疲劳寿命。     

激光冲击处理对TC4氩弧焊焊缝力学性能的影响

采用激光冲击处理(LSP)工艺对TC4钛合金钨极氩弧焊焊缝进行焊后处理,分别检测经过激光处理的焊缝及未经处理的焊缝的表面显微硬度、接头的拉伸性能、接头的疲劳寿命。结果表明:与未经LSP处理的接头相比,TC4钛合金TIG焊焊缝经过激光冲击强化处理后,焊缝区域表面显微硬度降低,而焊缝热影响区表面显微硬度增大;焊接接头的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、疲劳寿命均得到了不同程度的提高。     

铝合金焊接接头冲击强化的性能

为了提高铝合金焊接接头的力学性能,试验分别采用超声波和调Q脉冲YAG激光对A6061-T6铝合金焊接接头焊趾附近处进行冲击强化,研究了超声波和激光冲击强化下铝合金焊接接头的性能.两种冲击强化模式下,铝合金焊接接头焊趾处近表面均发生了冲击强化效果,并产生了较大的残余压应力,超声波和激光冲击强化后产生的最大残余压应力分别为 -158 MPa和 -145 MPa左右.超声波与激光冲击强化铝合金焊接接头的疲劳寿命差别不大,均比焊态下试样的疲劳寿命提高1倍以上.两种冲击强化方法的疲劳试验样件断裂位置均发生在基体金属上,而焊趾处没有疲劳裂纹产生.     

承载超声冲击提高TC4钛合金焊接接头的疲劳性能

利用自行研制的HJ-II型超声冲击处理装置对钛合金十字接头焊趾处进行了处理,并对接头的疲劳性能进行了研究.结果表明,在应力比R=0.5加载条件下,非承载超声冲击处理的TC4钛合金焊接接头较原始焊态的疲劳强度提高了约73.5%,寿命延长了12~17倍左右,承载超声冲击处理的TC4钛合金焊接接头较原始焊态的疲劳强度提高了148.1%,寿命延长了23~26倍左右.同时,从超声冲击前后应力集中系数的改变、焊接接头残余应力的改变、接头焊趾区表层塑性变形及硬度的变化等几个方面阐述了超声冲击提高焊接接头疲劳性能的机理,特别是承载超声冲击提高TC4钛合金焊接接头疲劳性能的原因.     

高能喷丸对TC4焊接接头组织性能的影响

采用高能喷丸对TC4焊接接头进行表面纳米化处理,利用光学显微镜观察了焊接接头各区域的横截面微观组织,对各区域表层晶粒尺寸进行了X射线衍射分析、采用洛氏硬度计测量了表层各区域的硬度,利用应力仪测试其不同区域的残余应力,并对其进行了表征。结果表明,高能喷丸处理后在TC4焊接接头表面获得一定厚度的塑性变形层,经过高能喷丸处理,在强烈塑性变形作用下接头各区域表层晶粒尺寸均细化到纳米尺度。焊接接头三个区域的表面层硬度一致,且高于高能喷丸处理前试样的硬度;残余应力测试表明,经高能喷丸处理后焊接接头表层各区域均为残余压应力,高能喷丸实现了焊接接头表层组织和性能的均一化。     

激光冲击波对X80管线钢焊接接头疲劳性能的影响

利用激光冲击波对X80管线钢焊接接头进行了表面强化处理,通过拉伸疲劳对比试验,采用罗卡提法求出激光冲击强化处理前后X80管线钢焊接接头的疲劳极限。用扫描电镜和X射线衍射仪分析了激光冲击处理前后X80管线钢焊接接头断口形貌和残余应力,并对激光冲击处理提高抗疲劳断裂机理进行探讨。结果表明,激光冲击处理引入了-339 MPa的残余压应力,使X80管线钢焊接接头疲劳强度由445 MPa提高到496 MPa,提高了11.2%;原始状态的试样疲劳裂纹起始于试样表面,经激光冲击处理后焊接接头疲劳源转移至次表层,表层晶粒细化和残余压应力是主要机制,提高了X80管线钢焊接接头的疲劳性能。