超声冲击细化焊接接头组织优化方法

原始焊态接头由于是铸造组织，其晶粒粗大，当焊接工艺不恰当时，接头还会含有气孔、缩松等缺陷。而对焊接接头进行超声冲击后，焊接接头试样表面形成致密的塑形变形层，微小的缩松被压实，组织细密、晶粒尺寸显著减小。

李占明[5]等采用ER5356 铝镁合金焊丝对2A12 装甲铝合金板材进行焊接，对焊缝进行全覆盖超声冲击，利用QUANTA200 型环形扫描电镜观察焊接接头显微组织，结果表明，经过超声冲击处理后，在距焊接接头表面300 μm 的范围内，焊缝区金属晶粒因塑性形变被拉长，形成了平行于焊缝表面的纤维状组织结构（宏观织构）。夹杂和析出质点成带状或点链状分布，也产生了形变织构。在距表面200 μm 的范围内，未进行超声冲击处理的焊缝表面呈现出微孔洞结构，经超声冲击处理后焊缝表层材料产生了剧烈的塑形变形，微孔洞被压合，形成了具有明显方向性的微观结构。朱有利等[6]用手工氩弧焊、ER5356 焊丝对2A12 铝合金板进行了焊接，用超声冲击方法对焊接接头进行了全覆盖强化处理；借助金相显微镜得到超声冲击处理前后母材区、热影响区和焊缝区的金相组织。对比发现，未进行超声冲击处理的焊缝区和热影响区的晶粒粗大，且熔合区和焊缝区存在明显的气孔和缩松。经过冲击后试件表面形成了致密的塑性变形层，厚度约为300 μm，在变形区内，晶粒尺寸明显减小，无论是气孔的数量还是尺寸都明显减少或减小，焊缝组织更加致密。XRD 图谱分析表明，超声冲击处理后接头表层中晶粒的取向随机分布，不具有择优取向，因而组织更加均匀。尤逢海等[7]采用钨极氩弧焊方法对TA15 钛合金进行对接拼焊，并对焊接接头进行了全覆盖超声冲击处理，用OLYMPUS BHM 立式金相显微镜对超声冲击前后的TA15 钛合金焊接接头的母材、焊缝区以及热影响区进行观察，结果表明，在超声冲击前后焊缝区和热影响区的组织相比于母材的组织发生明显的变化。超声冲击处理后的试样表层产生了塑性变形，并随深度增加而逐渐减小，主要是位错形态变化和晶格畸变。因此，超声冲击处理对试样表层组织产生了一定影响，而对试样内部的显微组织结构无太大影响，同时晶粒细化效果非常明显。叶雄林[8]等应用超声冲击装置对母材为22SiMn2TiB、焊接材料为Cr20Nil0Mn6 的异种钢焊接接头进行了冲击强化试验，研究了冲击区域金属的塑性变形情况。用扫描电镜观测冲击层断面区，冲击塑性变形层达到150 μm，其中晶粒细化区超过50 μm；用X射线衍射仪测试冲击层细晶衍射线宽化现象，并计算冲击层细化晶粒尺寸，计算结果表明母材冲击层平均晶粒尺寸为63 nm，焊缝金属冲击层的平均晶粒尺寸为82 nm。李东[9]等采用J507 焊条，对20 钢板进行堆焊，并对堆焊层进行超声冲击处理。利用金相显微镜、X 射线衍射仪和透射电子显微镜表征了堆焊层表面纳米晶层的结构。结果表明，最大变形深度可达 50 μm，其中强烈塑性变形主要发生在表面到30 μm 深度的范围，其组织结构在金相显微镜下已经不能分辨。试样表层的晶粒可细化至21.25 nm。郝明[10]选用合金粉末Ni50 作为堆焊材料，31GL 不锈钢作为堆焊基体进行焊接。对焊接接头表面进行超声冲击，然后观察冲击前后堆焊层表面的微观组织。超声冲击前后，镍基合金堆焊层表面没有发生相变。堆焊层的微观组织为奥氏体枝晶 + 枝晶间共晶化合物。冲击处理前奥氏体枝晶完整，碳（硼）化物连续，冲击后的显微组织发生了细化，碳化物明显破碎。超声冲击处理后，表层的微观组织变得均匀、致密，一些焊接裂纹和疏松缺陷被消除，成分偏析明显减少。李占明等[11]采用H18CrMoA 低氢高强钢焊丝、手工交流氩弧焊（GTAW）双面焊接30CrMnSiNi2A 钢板材，焊后采用ZJ-Ⅱ型超声冲击设备对接头试样表面进行全覆盖强化处理，而后使用OlympusPMG3 金相显微镜观察焊缝试样显微组织。未超声冲击处理焊缝为铸态枝晶组织，晶粒粗大，有较多的气孔、缩松缺陷；超声冲击处理后，在距试样表面100～150 μm 的范围，焊缝组织致密化且晶粒尺寸明显减少。超声冲击处理在焊缝试样表面产生了较大的塑性变形，导致微小的缩松被压实、压合，从而使组织致密，晶粒尺寸显著减小。向学建[12]等对Q370qE 桥梁钢进行双面埋弧自动焊接，所用焊剂为SJ101 q；并采用超声冲击方法对试件焊缝部位进行往复冲击若干次后，用 QUANTA 200 型扫描电镜观察焊接接头各区域显微组织。结果表明，未冲击试样的焊趾区晶粒粗大、缩孔等缺陷较多，超声冲击后试样的焊缝区、熔合区、热影响过热区及热影响正火各区组织变化均很明显，其表层产生了100～200 μm 厚的致密塑性变形层，形成了大约平行于焊缝表面的非常细密的纤维状组织结构。文献[13]利用NSA-400 型钨极氩弧焊机将一块主板和两块腹板焊接十字接头，采用HJ-Ⅲ型额定功率为600 W 的超声冲击设备，对接头焊趾部位实施往复冲击。冲击头头部形状为半圆球，半圆直径为 3.0 mm，冲击电流为2.0 A，冲击速率约为15 mm/s，往复冲击时间为10 min。具体的冲击过程：超声冲击针头垂直对准接头焊趾部位，使冲击过程在执行机构自重的作用下沿焊缝方向进行。同时，冲击枪做适当角度的摆动，以使焊趾区外形为光滑圆弧过渡。对超声冲击处理接头焊趾区域表面组织进行透射电镜观察，结果表明，超声冲击处理MB8 镁合金焊接接头表面组织可以得到明显细化，超声冲击后获得的晶粒尺寸最小约100 nm。王东坡等[14]对45 钢进行超声冲击处理，研究结果表明，试样表面晶粒已成纳米晶，晶粒呈等轴状，晶粒尺寸为20～80 nm，平均尺寸约50 nm。(www.xing528.com)