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針對不銹鋼焊接接頭存在殘余應(yīng)力且分布不均勻、容易發(fā)生應(yīng)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(shù)對表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)化作用，并通過應(yīng)力腐蝕試驗驗證優(yōu)化效果。結(jié)果表明：隨著功率密度增加，表面殘余應(yīng)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(chǎn)生的殘余應(yīng)力相差不大，熔合區(qū)還存在殘余拉應(yīng)力，說明高功率密度不足以消除表面殘余拉應(yīng)力；隨著沖擊次數(shù)增加，殘余拉應(yīng)力顯著降低，２．８３ＧＷ／ｃｍ２沖擊３次之后，殘余拉應(yīng)力完全消除，局部最高應(yīng)力梯度從５４．７ＭＰａ／ｍｍ下降到１１．７ＭＰａ／ｍｍ，獲得了高數(shù)值、分布均勻的殘余壓應(yīng)力層。激光沖擊強化后，焊接試樣的應(yīng)力腐蝕斷裂時間提高了３３．４８％，激光沖擊強化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力是其應(yīng)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(yōu)良的抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用在石油、化工、原子能以及宇宙宇航等工業(yè)領(lǐng)域。由于不銹鋼管在使用中經(jīng)常接觸腐蝕介質(zhì)，因而常常引發(fā)腐蝕失效問題，甚至造成嚴重事故。據(jù)統(tǒng)計，應(yīng)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(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件是：必須存在拉應(yīng)力以及腐蝕介質(zhì)。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(qū)的不均勻收縮，因而焊接接頭容易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力以及焊接殘余變形。焊接殘余拉應(yīng)力的存在，為應(yīng)力腐蝕開裂創(chuàng)造了必要的條件。消除焊接接頭的殘余拉應(yīng)力是提高不銹鋼應(yīng)力腐蝕性能的有效途徑，對于拓寬其應(yīng)用范圍具有重要意義。常用的殘余應(yīng)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(shù)，沖擊后使材料表層獲得殘余壓應(yīng)力以及較高的位錯密度，從而提高材料的結(jié)構(gòu)疲勞特性、耐磨性以及應(yīng)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(yīng)力腐蝕性能有明顯的改善效果，并且已經(jīng)將該技術(shù)用于核工業(yè)壓力容器焊縫的強化處理，取得了顯著的效果。國內(nèi)，南京工業(yè)大學(xué)彭薇薇、凌祥和江蘇大學(xué)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(yīng)力腐蝕性能的影響，初步分析了激光沖擊產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力對焊接接頭應(yīng)力腐蝕抗性的提高作用，但未對殘余應(yīng)力狀態(tài)進行優(yōu)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(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)化改善作用，并通過應(yīng)力腐蝕試驗驗證優(yōu)化效果。

１試驗材料與方法

１．１激光沖擊誘導(dǎo)殘余應(yīng)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(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)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(nèi)部傳播，沿著沖擊波傳播方向上，沖擊區(qū)表層產(chǎn)生純單軸壓縮，同時在平行于表面的平面內(nèi)使沖擊區(qū)表層發(fā)生伸長，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。當激光脈沖消失后，沖擊區(qū)域的材料發(fā)生塑性應(yīng)變，但因受到周圍材料的約束反作用，便在沖擊區(qū)的表層中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

1.2試驗材料與試樣制備

試驗所用母材為厚度2.5 mm的316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(jié)合性,提高焊接質(zhì)量,焊縫材料選用316L不銹鋼,材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))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(shè)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(chǎn)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(yīng)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(qū),虛線方框區(qū)域表示激光沖擊強化區(qū)。激光沖擊強化試驗選用型號為SGR-25的Nd:YAG激光沖擊強化設(shè)備,沖擊路徑為垂直于焊縫方向沖擊。為了減少應(yīng)力腐蝕薄弱區(qū),對試樣四周分別進行了強化。具體沖擊工藝參數(shù)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(guān)系,而根據(jù)Fabbro關(guān)系的經(jīng)驗壓力模型可知,影響激光沖擊壓力的激光參數(shù)可綜合為激光功率密度。根據(jù)激光沖擊參數(shù)(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(shù)。為了探求沖擊參數(shù)對材料表面應(yīng)力場的影響,分別采用不同的激光功率密度和沖擊次數(shù)處理試樣,通過表面殘余應(yīng)力及其分布測試,分析沖擊參數(shù)對Fig.4 Pointsdistributionofresidualstresstest圖4殘余應(yīng)力測試點分布圖材料表面應(yīng)力場的優(yōu)化作用。殘余應(yīng)力測試采用X射線衍射法,使用X-350A型X射線應(yīng)力分析儀進行。其中衍射晶面為{220}晶面,應(yīng)力常數(shù)為-601 MPa,掃描2θ角范圍138°~121°,掃描步距為0.10 s-1,計數(shù)時間為0.5 s。本文采用平均應(yīng)力的觀點,通過測試點的殘余應(yīng)力特征,近似表示表面殘余應(yīng)力及其分布特征,并對比分析激光沖擊強化處理對試件應(yīng)力狀態(tài)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(yīng)力值。

2試驗結(jié)果與分析

2.1激光功率密度的影響

根據(jù)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(yīng)力測試結(jié)果�？梢钥闯�,焊接試樣焊縫及熱影響區(qū)均存在較大的殘余拉應(yīng)力,從焊縫中心到基體的方向上,殘余拉應(yīng)力先增大再減小。其中以熔合區(qū)最大,達到約330 MPa。這是因為焊接過程中熔合區(qū)冷熱變化最為劇烈,且是基體材料與焊縫接合處,材料結(jié)構(gòu)組織變化最大,故形成的殘余拉應(yīng)力相對較大。激光沖擊強化后,焊接接頭殘余拉應(yīng)力有明顯的下降,且隨著激光功率密度增加,表面殘余拉應(yīng)力越來越小,但下降的幅度則逐漸減小。功率密度2.83 GW/cm 2和4.24GW/cm 2沖擊后,殘余應(yīng)力相差不多。隨著功率密度增大,殘余應(yīng)力的性質(zhì)也發(fā)生了變化,以功率密度2.83 GW/cm 2沖擊后,焊縫區(qū)和部分熱影響區(qū)都產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力,但熔合區(qū)的殘余應(yīng)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(yīng)力。這是因為激光脈沖功率密度越高,激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力超過材料動態(tài)屈服強度的幅值越大,表面變形也就越大,因此產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)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(chǎn)生等離子體,并導(dǎo)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(yīng)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(yīng)力并不隨激光功率密度的增加而增加。

2.2激光沖擊次數(shù)的影響

考慮到功率密度2.83 GW/cm 2和4.24 GW/cm 2兩次沖擊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(shù)對表面殘余應(yīng)力的影響。圖6是不同次數(shù)沖擊之后的殘余應(yīng)力分布圖。隨著沖擊次數(shù)增加,殘余拉應(yīng)力越來越小,并且逐漸轉(zhuǎn)化成了殘余壓應(yīng)力。沖擊次數(shù)越多,殘余壓應(yīng)力越大。經(jīng)過3次沖擊后,整個焊接接頭表面的殘余拉應(yīng)力完全消除,形成了高于150 MPa的殘余壓應(yīng)力層,且局部最高應(yīng)力梯度從54.7MPa/mm減小至11.7 MPa/mm。熔合區(qū)是溫度與組織變化最為劇烈的區(qū)域,晶粒相對粗大。激光沖擊具有細化晶粒的作用,沖擊次數(shù)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(yīng)力梯度也相應(yīng)減小。

多次沖擊可以增大表面殘余壓應(yīng)力,并且優(yōu)化表面殘余壓應(yīng)力分布。但激光沖擊會使材料表面發(fā)生硬化現(xiàn)象,增大材料的動態(tài)屈服強度,從而使材料的塑性變形更加困難。因此殘余壓應(yīng)力不會隨著沖擊次數(shù)增加而一直增大。此外,沖擊次數(shù)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(yīng)力分布已經(jīng)變得較為均勻,應(yīng)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(shù)(功率密度2.83 GW/cm 2,沖擊3次)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(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)化效果。圖7為焊接試樣、光板試樣和強化試樣的殘余應(yīng)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(yīng)力,且分布均勻,沒有明顯的變化。焊接試樣在強化之后,應(yīng)力分布得到顯著改善,除了焊縫區(qū)與熱影響區(qū)有較小的應(yīng)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(yīng)力。激光沖擊強化對焊接接頭的殘余應(yīng)力狀態(tài)起到了良好的優(yōu)化效果。

2.4應(yīng)力腐蝕試驗

應(yīng)力腐蝕是在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的,殘余拉應(yīng)力狀態(tài)的改變會對焊接接頭的應(yīng)力腐蝕性能造成影響。根據(jù)得到的優(yōu)化參數(shù)(功率密度2.83GW/cm 2、沖擊3次)沖擊焊接試樣,得到強化試樣,在90℃恒溫條件下的FeCl 3腐蝕液中進行恒應(yīng)力拉伸應(yīng)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(yīng)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后,焊接件的腐蝕已經(jīng)深入材料內(nèi)部,而強化件表面只出現(xiàn)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(yīng)力腐蝕斷裂時間比焊接試樣提高了33.48%。表面應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)化顯著提高了焊接接頭的應(yīng)力腐蝕性能。

根據(jù)應(yīng)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(fā)生破裂,使基體金屬與腐蝕介質(zhì)相接觸,產(chǎn)生快速陽極溶解,形成應(yīng)力腐蝕。焊接過程在材料內(nèi)部形成了殘余拉應(yīng)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(yīng)力對滑移階梯有張開作用,腐蝕更容易深入金屬內(nèi)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(yīng)力,并且產(chǎn)生數(shù)百MPa的殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)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(yīng)力腐蝕抗力。

3結(jié)論

本文研究了激光沖擊對不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力場的影響,得到以下結(jié)論:

(1)激光功率密度增加,不銹鋼焊接接頭表面殘余拉應(yīng)力有明顯下降,但下降幅度逐漸減小,功率密度2.83 GW/cm 2與4.24 GW/cm 2沖擊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相差不大,由于約束層絕緣擊穿效應(yīng),高功率密度不能完全消除焊接殘余拉應(yīng)力;以功率密度2.83 GW/cm 2沖擊3次之后,表面殘余拉應(yīng)力全部得到消除,且形成上百MPa的殘余壓應(yīng)力,局部最高應(yīng)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(yīng)力得到了有效優(yōu)化。

(2)采用優(yōu)化參數(shù)(功率密度2.83 GW/cm 2、沖擊3次)強化之后,焊接試樣的應(yīng)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(yīng)力對拉伸載荷的抵消作用,是提高焊接試樣應(yīng)力腐蝕性能的重要原因。