爆炸法消除焊接殘余應力對金屬材料常規(guī)力學性能的影響

張 量

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究，江西 南昌 330029）

我國使用消除焊接殘余應力處理方式包括：退火、噴丸、振動等。其中退火效果較好，但其對于能源與成本消耗較高；噴丸處理方式僅處理表層殘余應力，且費用消耗較高；而振動方式處在未全面推廣階段。爆炸法作為蘇聯(lián)消除殘余應力方式之一，隨著不斷探索與研究可以得知，該種方式可行性較高，但因我國對這方面研究較少，仍需要針對爆炸法消除焊接殘余應力對金屬材料常規(guī)力學性能的影響展開研究，從而確保爆炸法可以順利應用在我國工業(yè)發(fā)展中。

1 試驗材料及方式

1.1 試驗材料

本次試驗主要是在400×300×10mm低碳鋼板試件上完成。試驗材料表面通過刨床進行加工后，其表面光潔度達到▽5，待針對材料進行加工后，針對其展開退火處理，以此來實現(xiàn)消除加工過程中產(chǎn)生的初應力。焊件主要是在低碳鋼板上展開雙面堆焊而成，焊接電流為700安～750安、電弧電壓為36伏～40伏、焊接速度約410/55mm/秒。此外，本次試驗所用炸藥又被稱作為“橡皮炸藥”，其主要是由黑索金、天然橡膠制作而成，該炸藥質(zhì)底較為均勻、形狀與橡皮板較為相似。同時其具備質(zhì)地較為柔軟、易加工、便攜帶、易安放等特點。

1.2 試驗方式

在測量焊接殘余應力時，主要是通過小孔釋放法來實現(xiàn)。在測量焊件殘余應力時，因試驗材料與薄板之間較為接近，因此，認定其應力分布屬于同一平面問題，同時兩個主應力方向?qū)儆谝阎獱顟B(tài)，由此，就可以計算出縱向與橫向殘余應力[1]。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 晶界變化

在金屬材料中一旦出現(xiàn)不同晶粒之間晶界對位錯情況時，這時就會對金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生阻礙作用，同時也會不斷增加金屬材料變形時錯位運動阻力，最終增加錯密度，以此來實現(xiàn)強化金屬材料強度。在金屬材料中，材料在正常情況下的變形主要通過位錯的滑移和攀移實現(xiàn)。由于晶粒內(nèi)部缺陷相對較少，位錯可以相對自由地滑動。當位錯在外力作用下碰到晶界后，由于材料中的大部分晶界都可以看成原子混亂區(qū)，在晶界處晶體的平移對稱性和旋轉(zhuǎn)對稱性被打破，位錯滑動被阻礙，在晶界處形成應力集中。通過晶界阻礙位錯抑制形變，材料的強度得到了提高。另一方面，由于晶界對稱性的缺乏，其本身就是天然的位錯源。因此在外力的進一步作用下，晶界處的位錯塞積會誘發(fā)晶界在另一側(cè)晶粒誘發(fā)位錯源開動新的位錯，從而使得材料繼續(xù)發(fā)生形變。因此，晶界作為位錯源在一定程度上又可以開動新位錯釋放應力，防止材料由于過高的應力集中形核裂紋，從而提高材料的韌性。

2.2 應變與錯位變化

在金屬晶體中出現(xiàn)位錯情況時，就會促使臨界切應力與理論值之間存在差異，同時也會促使臨界切應力小于理論值。因位錯交互作用與相互纏繞作用可以有效實現(xiàn)增加金屬材料位錯密度，并且也會增加位錯運動難度，最終實現(xiàn)強化金屬材料，使金屬材料力學特點，例如：強度與硬度等不斷增加。因為金屬材料中位錯狀態(tài)較為復雜，促使現(xiàn)代構(gòu)建的位錯模型僅僅能夠顯示出金屬強化中位錯狀態(tài)。此外，當針對進行機械加工時，多數(shù)工件均需要通過多道工序完成加工，同時也需要借用部分機械加工設(shè)備來實現(xiàn)加工，最終使金屬材料成為一個可以使用產(chǎn)品。

2.3 噴丸處理過程

所謂分選主要是將標準件與被檢件相互對比，所以，當試件需要展開分選時，就可以提前準備樣品以免出現(xiàn)相混情況各不相同。在分選過程中方法較多，如：渦流、溫差電等多種強化方法，其中渦流強化法無法輕易對材料展開準確鑒別，例如：在退火鋼這種材料中含有一定量份的碳與硅。但準確量份一定會有所不同，通過渦流強化法能夠輕易強化出碳實際量份，但卻無法強化出硅實際量份，但通過噴丸強化工藝技術(shù)就可以輕易強化出來。又如：在針對鋼材料中碳量份完全相同，與非合金碳鋼展開分選過程中，或是針對不脫氧鋼材料與鎮(zhèn)靜鋼展開合金強化過程中，都是噴丸強化工藝技術(shù)更加適合，焊接殘余應力消除效果更加有效。

2.4 結(jié)果對比分析

在針對金屬材料常規(guī)力學性能檢測結(jié)果對比后可以發(fā)現(xiàn)，普通金屬常規(guī)力學性能較小，同時二者之間差異較小，在測量過程中難度較高，例如：銅、鋁等。

表1 不同金屬材料常規(guī)力學性能檢測結(jié)果

但爆破法可以精準測量出部分常規(guī)力學性能較高的金屬材料，例如：鎳、康銅、鎳烙合金、鎳硅合金、碲化鉍等。具體情況如表1所示。

爆破法在應用過程中，可以實現(xiàn)對部分合金金屬材料分選，即為鎳基合金，同時對于半導體材料常規(guī)力學性能測量結(jié)果，可以有效判斷其導電類型。在針對不同鋁合金板進行對比測量時，其中一塊鋁合金板屬于正常，而另一塊鋁合金板中則出現(xiàn)疲勞裂紋，通過運用爆破法對這兩塊鋁合金板進行測量后，發(fā)現(xiàn)正常鋁合金板與疲勞裂紋鋁合金板常規(guī)力學性能之間并未出現(xiàn)較大差異，這時測量過程難度就會不斷增加[2]。

3 結(jié)語

綜上所述，因多數(shù)金屬材料常規(guī)力學性能較小，在針對其焊接殘余應力情況進行檢測時，就應運用高于細微級別精度設(shè)備與技術(shù)，同時也表示其對于應力采集設(shè)備要求較高。在針對金屬材料表面溫差進行測量過程中，因測量溫差會導致最終測量常規(guī)力學性能結(jié)果出現(xiàn)不準確情況。但在對常規(guī)力學性能較大（高于10uV/K）金屬與其合金進行爆破法處理時，通過常規(guī)力學性能測試方式可以有效實現(xiàn)準確測量，可以有效實現(xiàn)判斷材料準類，最終實現(xiàn)對材料分選。