大面積激光沖擊對高強度鋼EH36焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

張 超 王 勻

（1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州213000；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212000；3.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212000）

激光沖擊強化技術(shù) (laser shock processing,LSP)通過其短時間形成的高能脈沖，對金屬表面進行快速準(zhǔn)確的沖擊，改變金屬表面的應(yīng)力變化，同時細化金屬表面的晶粒，達到改善金屬表面性能的目的，具有可控、清潔、高效等特點[1-3]。目前，激光強化逐漸應(yīng)用在焊接領(lǐng)域。由于焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，焊接接頭出現(xiàn)粗大組織等缺陷以及殘余應(yīng)力可能會引起脆性斷裂、疲憊斷裂、應(yīng)力腐蝕破壞以及降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對此，為了降低焊接接頭的缺陷，提高其力學(xué)性能，往往需要對焊接后的結(jié)構(gòu)進行處理，達到改善焊接性能的目的，例如：爆炸處理、錘擊處理、振動處理等[4-6]。相比于這些方法，激光參數(shù)靈活可調(diào),在處理一些復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)時，通過對激光沖擊參數(shù)的調(diào)整，能夠有效地應(yīng)對各種復(fù)雜焊接構(gòu)件對焊接結(jié)構(gòu)性能的要求。目前，有關(guān)LSP改善焊接接頭力學(xué)性能的研究工作已經(jīng)取得了一些進展，國內(nèi)外研究人員在一些材料上做了激光沖擊強化的研究[7-9]，但有關(guān)利用LSP技術(shù)改善厚板高強度鋼EH36接頭力學(xué)性能的研究較少。

本文通過試驗對高強度鋼EH36焊接接頭進行激光沖擊強化，通過改變不同的激光沖擊工藝參數(shù)，對比分析了激光沖擊強化前后焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化，探討了激光沖擊強化參數(shù)變化與焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能之間的關(guān)系，為激光沖擊強化在高強度鋼焊接領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。

1.試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試樣材料采用EH36高強度焊接鋼板，它是一種低碳高強度合金鋼，其中合金元素對鋼的性能影響較大，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 EH36鋼化學(xué)成分[10]

選用尺寸為100 mm×100 mm×4 mm的EH36焊接試樣，焊接方式采用埋弧自動焊（SAW），焊接電流406 A，焊接電壓28 V，焊接速度545 mm/min，熱源輸入1.25 KJ/mm。激光沖擊設(shè)備采用Nd：YAG激光器，試驗所采用的主要參數(shù)：激光波長1064 nm，光斑尺寸為3 mm，重復(fù)頻率1～5 Hz，脈寬和激光能量可調(diào)。激光光斑采用50%的搭接率，方向垂直于焊縫表面，依次沖擊,沖擊范圍覆蓋焊縫（WELD）、熱影響區(qū)(HAZ)和部分母材（BM）的區(qū)域，如圖1所示。

圖1 激光沖擊焊接試樣

1.2 試驗方法

在焊接試樣上截取18 m×18 m激光沖擊試樣。對試樣表面進行打磨和拋光，采用99.7%的無水酒精清洗后吹干，使用鋁箔作為激光吸收層覆蓋整個試樣，激光沖擊時用1～2 mm流動水簾作為約束層，脈沖能量分別選用6 J、9 J和12 J。光斑形狀為直徑3 mm的圓形光斑，采用光斑搭接形式進行LSP處理，依次沖擊4次，為防止鋁箔被灼傷破壞，2次LPS后更換鋁箔。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對激光沖擊前后以及改變激光沖擊工藝參數(shù)后的焊接結(jié)構(gòu)不同部位的力學(xué)性能如硬度、殘余應(yīng)力做相關(guān)測試。

2.試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接結(jié)構(gòu)表面硬度

測試焊縫表面維氏硬度，采用的設(shè)備為HXD-1000TM型數(shù)字式顯微硬度計，加載力大小為200 gf，壓頭在試樣表面壓出一個四方椎形的壓痕，保持105 s后卸除載荷，測量壓痕的對角線長度d以換算求出相應(yīng)顯微硬度值。測試位置選取焊縫中心、熱影響區(qū)以及母材處，為減小誤差每處分別取3個點，取其平均值。激光沖擊搭接率選取50%，沖擊次數(shù)為1次、2次和4次，試驗參數(shù)和測試結(jié)果見表2。

表2 不同沖擊參數(shù)下的EH36焊接結(jié)構(gòu)顯微硬度

從表2可以看出，沖擊前后試樣不同區(qū)域的顯微硬度發(fā)生了顯著的變化，試樣在激光沖擊前的焊縫和熱影響區(qū)顯微硬度數(shù)值約為230 HV，沖擊過后焊縫和熱影響區(qū)的硬度值分別達到最大值288.5 HV和270.2 HV，相對于未沖擊的顯微硬度分別增加了24%和17.5%。母材區(qū)域硬度值變化相對焊接區(qū)要小，從初始的187.1 HV增加到209.2 HV，增加了6.3%。

表2顯示激光沖擊次數(shù)和沖擊能量對硬度產(chǎn)生了明顯的影響，為了更直觀地表達，利用曲線圖展示了激光沖擊次數(shù)和沖擊能量對硬度產(chǎn)生的影響，如圖2、圖3所示。圖2中描述了在6 J的激光能量下，單次沖擊顯微硬度增加了10 HV左右，2次沖擊顯微硬度提高了約7 HV，3次、4次沖擊顯微硬度的增加總量約為10 HV。顯微硬度隨沖擊次數(shù)的增加而不斷地增大，但增加的幅值變小。圖3表明激光能量對硬度值的影響，從圖中可以看出，能量增加的同時硬度值也不斷地增加，但增加的幅值在降低，這是由于沖擊過程晶粒細化和加工硬化的結(jié)果。在激光沖擊焊接區(qū)域時，沖擊區(qū)會產(chǎn)生明顯的塑性變形，隨著脈沖激光能量的增加和沖擊次數(shù)的增加，材料塑性變形層表面晶粒發(fā)生破碎細化，材料硬度隨亞晶粒尺寸的減小而增高。此外，由位錯理論可知，由于沖擊材料表面在塑性變形過程中位錯發(fā)生運動，使得變形過程中的位錯移動阻力增加并阻礙位錯的進一步運動，從而引起加工硬化，致使硬度增加幅值在沖擊次數(shù)和能量增加時變小。母材沖擊效果相對于焊縫和熱影響區(qū)不明顯，主要與其組織和殘余應(yīng)力有關(guān)。

圖2 沖擊次數(shù)對硬度的影響

圖3 沖擊能量對硬度的影響

2.2 焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力

將激光沖擊后的試樣表面的鋁箔去除，采用無水乙醇清洗試樣表面。使用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀，測試方法采用側(cè)傾固定Ψ法，交相關(guān)法定峰。圖4為試樣殘余應(yīng)力測試點與測試路徑位置示意圖，沿著試樣的橫向選取5個點，分別為焊縫區(qū)2個點，熱影響區(qū)2個點，母材區(qū)1個點。

圖4 沖擊路徑分布

圖5 為不同沖擊次數(shù)下，路徑“path-1”上殘余應(yīng)力分布。從圖中可以看出，沖擊前焊接結(jié)構(gòu)的表面橫向殘余應(yīng)力都呈現(xiàn)為拉應(yīng)力，且焊縫區(qū)和母材的的橫向殘余應(yīng)力相對于熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力要大，這是由焊接過程中不均勻溫度場造成的。沖擊后焊縫處的殘余應(yīng)力值由初始的540 MPa變?yōu)?249 MPa，隨著激光沖擊次數(shù)的增加，殘余壓應(yīng)力不斷地增大，殘余壓應(yīng)力的變化率不斷減小，焊縫、熱影響區(qū)以及母材的殘余應(yīng)力分布趨于均勻。

圖6為不同激光脈沖能量單次沖擊下對焊接結(jié)構(gòu)的表面殘余應(yīng)力的影響，相比于6 J的脈沖能量，9 J的能量沖擊下殘余拉應(yīng)力降低了92 MPa，12 J的能量沖擊下殘余拉應(yīng)力相對10 J情況下降低了41 MPa，但總的說來增幅不是很大，幅值呈遞減的趨勢。

分析認(rèn)為激光沖擊焊縫表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因在于：沖擊波引起工件表面材料不均勻的塑性變形，產(chǎn)生高密度的位錯等晶體缺陷，在材料表層產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。由于高應(yīng)變率加載下材料發(fā)生絕熱剪切滑移，產(chǎn)生應(yīng)變硬化的作用，沖擊次數(shù)越多硬化現(xiàn)象越明顯，故隨著沖擊次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力的變化率不斷減小。圖6中伴隨著激光能量的增加，殘余應(yīng)力增幅越來越小，這是由于金屬受這樣高功率的激光照射時，在激光能量由6 J增加到12 J過程中，其沖擊波峰值壓力增加,表面殘余應(yīng)力也相應(yīng)增加。但由于逆軔輻射效應(yīng)（撞擠吸收）的增強，能量損失增大，因此，殘余應(yīng)力增大趨勢就越來越小。

圖5 不同沖擊次數(shù)下沿路徑“path-1”殘余應(yīng)力分布

圖6 不同沖擊能量下沿路徑“path-1”殘余應(yīng)力分布

3.結(jié)論

本文研究了激光沖擊強化對EH36焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，得到了以下主要結(jié)論：與未經(jīng)過激光沖擊處理的EH36焊接頭相比,經(jīng)過激光沖擊強化處理后的接頭,焊縫和熱影響區(qū)的硬度值得到顯著提高；沖擊后，焊縫硬度和殘余應(yīng)力總體分布趨于均勻；由于焊縫表面位錯密度增大，變形過程中的位錯移動阻力增大，引起加工硬化，沖擊次數(shù)越多硬化現(xiàn)象越明顯，以及隨著激光能量的增加由于逆軔輻射效應(yīng)（撞擠吸收）的增強，能量損失增大，故隨著沖擊次數(shù)和能量的不斷增加，硬度和殘余應(yīng)力的變化幅值在不斷地減小。