含孔洞缺陷焊接接頭放電強(qiáng)化及疲勞壽命分析

付宇明1, 趙華洋1,2, 杜文連1, 李艷芳1, 鄭麗娟1

(1. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004; 2. 內(nèi)蒙古民族大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 028043)

摘 要：針對(duì)焊接接頭中存在的孔洞等形式的缺陷，利用自制的ZL-2型超強(qiáng)脈沖放電裝置對(duì)含孔洞缺陷的9CrSi合金工具鋼焊接接頭進(jìn)行了電磁熱強(qiáng)化試驗(yàn)，并在自制的疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)放電前后焊接接頭的疲勞壽命進(jìn)行了對(duì)比分析，從理論上計(jì)算了含孔洞缺陷焊接接頭放電瞬間的綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子. 結(jié)果表明，放電電壓對(duì)疲勞壽命的影響存在最優(yōu)值，在5.5 kV脈沖放電電壓作用下，放電后的焊接接頭平均疲勞壽命比放電前提高了10%以上，理論計(jì)算的電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子為負(fù)值，削弱了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而延長(zhǎng)了試件的疲勞壽命.

關(guān)鍵詞：電磁熱效應(yīng)；孔洞；止裂；疲勞壽命；焊接接頭

0 序 言

合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入鉻、鉬、鎢等合金元素以提高淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性的一種鋼種，它主要用于制造量具、刃具、耐沖擊及一些特殊用途的工具，日益得到廣泛的應(yīng)用. 在機(jī)械制造業(yè)中最廣泛使用的是沖壓模具，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)模具鋼性能提出了更高的要求，從而使模具的制造費(fèi)用不斷增加. 9CrSi作為制造模具的合金材料，其焊接性能較差，在焊接過程中由于受高溫作用焊接接頭內(nèi)部組織遭到破壞，在焊縫中易形成裂紋、孔洞、夾雜、未焊透等缺陷，而裂紋是致命性缺陷，一旦出現(xiàn)，模具只能報(bào)廢，這嚴(yán)重影響了模具的使用壽命. 近年來，對(duì)焊接接頭內(nèi)部的缺陷進(jìn)行修復(fù)以及修復(fù)后的疲勞壽命問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn).

電磁熱止裂技術(shù)作為一種新興的非平衡處理技術(shù)，將其應(yīng)用在焊接領(lǐng)域，修復(fù)帶有缺陷的焊接接頭具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1]. 通過前期工作發(fā)現(xiàn)焊接接頭電磁熱止裂后抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均有所提高，同時(shí)止裂后，缺陷附近微觀組織明顯細(xì)化，出現(xiàn)強(qiáng)韌性均好的白亮層組織，進(jìn)一步阻止了裂紋的擴(kuò)展[2-4]. 文中選用含孔洞缺陷的低合金工具鋼9CrSi對(duì)接焊焊接接頭，旨在分析焊接接頭電磁熱強(qiáng)化及強(qiáng)化后的疲勞壽命，對(duì)電磁熱技術(shù)在焊接領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義.

1 放電前后應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

1.1 放電瞬間電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子

以含球形孔洞缺陷的對(duì)接焊焊接接頭為例進(jìn)行分析，如圖1所示.

由文獻(xiàn)[5]知電流繞圓形孔洞電流密度分布為

(1)

(2)

圓形熱源的熱源功率為

(3)

由楞次定律知圓形熱源上任意一點(diǎn)的熱源強(qiáng)度

(4)

式中：J0為通入的電流密度；Jθ為繞流時(shí)極坐標(biāo)下的角分量；Jr為繞流時(shí)極坐標(biāo)下的徑向分量；σ*為電導(dǎo)率；V為電流勢(shì)函數(shù)；r0為孔洞缺陷的半徑；φ為點(diǎn)熱源的極角坐標(biāo).

由文獻(xiàn)[6]可知，半徑為r0的圓形缺陷在點(diǎn)(0，r0)處的應(yīng)力強(qiáng)度因子為

(5)

q=-Q/2πλ

(6)

式中：λ為熱導(dǎo)率；αl為線膨脹系數(shù)；q為點(diǎn)(0,r0)處熱源功率；E為彈性模量.

將式(4)和式(6)代入式(5)得出孔洞缺陷通電瞬間產(chǎn)生的電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子為

(7)

1.2 焊接殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子

焊接的影響，使得內(nèi)部已存在殘余應(yīng)力的作用，并在缺陷附近引起應(yīng)力集中，此應(yīng)力集中引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子即為殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子. 殘余應(yīng)力包括由不均勻的熱膨脹和熱收縮引起的熱應(yīng)力和由組織轉(zhuǎn)變引起的相變應(yīng)力. 假設(shè)在放電過程中殘余應(yīng)力場(chǎng)不發(fā)生重分布，且殘余應(yīng)力的分布函數(shù)為σ(x). 對(duì)于平板對(duì)接焊縫，其殘余應(yīng)力分布形式為[7]

σ(x)=σ0(1-x2)/(1+x4)

(8)

式中：σ0為焊縫中心線處的殘余應(yīng)力最大值.對(duì)于孔洞缺陷的焊接接頭，由殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子可由權(quán)函數(shù)方法獲得. 殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子為[8]

(9)

式中：h(x,a)為權(quán)函數(shù). 如果縱向殘余應(yīng)力關(guān)于焊縫中心對(duì)稱分布，且在板厚方向皆相同，則

(10)

1.3 綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子

均勻外載荷拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的機(jī)械載荷強(qiáng)度因子表達(dá)式為

(11)

在彈性條件下，電熱應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子、外載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子和焊接殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子的線性疊加構(gòu)成斷裂驅(qū)動(dòng)力. 綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子為

(12)

式中：δ為拉伸應(yīng)力. 從式(12)可看出，由放電引起的電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子為負(fù)，且綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子減小，證明試件不會(huì)由于放電過程而使缺陷失穩(wěn)，并且試件會(huì)向不利于缺陷擴(kuò)展的方向轉(zhuǎn)變，使試件焊接接頭處缺陷擴(kuò)展的可能性大大減小[9].

2 放電強(qiáng)化試驗(yàn)

2.1 理論依據(jù)

孔洞缺陷可處理成廣義埋藏裂紋缺陷，應(yīng)用放電強(qiáng)化是可行的. 在向含孔洞缺陷的焊接接頭中通入強(qiáng)脈沖電流時(shí)，在球形截面上形成繞流現(xiàn)象，在歐姆效應(yīng)作用下產(chǎn)生了大量焦耳熱，溫升瞬間超過材料熔點(diǎn)，冷卻后形成焊口，并且其周圍發(fā)生有利于提高金屬性能的組織變化，達(dá)到強(qiáng)化的效果.

2.2 試樣的制備

選取低合金工具鋼9CrSi材料，加工試件尺寸如圖2所示，對(duì)接焊，不開坡口，焊后緩冷至室溫. 所有試件均為氬弧焊焊接且焊接工藝相同，焊后不進(jìn)行熱處理. 焊前對(duì)試件表面進(jìn)行打磨處理以消除線切割痕跡，減少加工劃痕對(duì)放電效果的影響.

2.3 試驗(yàn)方案與設(shè)備

采用TZ-2H超聲波探傷儀對(duì)焊后試件進(jìn)行探傷. 根據(jù)探傷圖，選出含孔洞缺陷的試件若干，分成A，B，C三組. A組試件15個(gè)分成五組，放電電壓分別為4.5,5,5.5,6和6.5 kV，探究放電電壓的最優(yōu)值，B組試件5個(gè)進(jìn)行同一電壓下放電強(qiáng)化試驗(yàn)，放電電壓為5.5 kV，C組5個(gè)試件不進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn). 強(qiáng)化試驗(yàn)是在自制的ZL-2型超強(qiáng)脈沖電流發(fā)生裝置上完成的，其工作原理如圖3所示. 放電時(shí)間約為25 μs，脈沖放電電流的波形如圖4. 試件經(jīng)脈沖放電后，焊接接頭部分溫度非常高，而基體部分的溫度幾乎不變，這由于在脈沖放電瞬間，電流在焊接接頭內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生繞流現(xiàn)象，使得缺陷周圍電流密度集中，在電熱效應(yīng)的作用下產(chǎn)生大量焦耳熱.

3 疲勞壽命測(cè)試

3.1 疲勞試驗(yàn)及設(shè)備

試驗(yàn)所用試件為經(jīng)放電強(qiáng)化的A組、B組和未經(jīng)強(qiáng)化的C組，試驗(yàn)中加載方式為三點(diǎn)彎曲，試件加載示意圖如圖5. 加載頻率為6 Hz，加載應(yīng)力為20 MPa，應(yīng)力比R=0，試驗(yàn)環(huán)境為靜態(tài)空氣介質(zhì). 疲勞試驗(yàn)條件相同，以試件斷裂時(shí)的循環(huán)周次作為接頭的疲勞壽命. 圖6為疲勞裂紋宏觀形貌.

3.2 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)得到的壽命數(shù)據(jù)，求得不同電壓下試件平均疲勞壽命，繪制柱狀圖如圖7所示. 分析可得，放電電壓存在最優(yōu)值，當(dāng)脈沖電壓為5.5 kV時(shí)，接頭的疲勞壽命最高，超過或低于該值時(shí)焊接試件的疲勞壽命均有不同程度的下降.

Fig.7 Average fatigue life of 9GrSi specimen under different discharge voltage

對(duì)B，C兩組焊接試件進(jìn)行疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示. 由于試驗(yàn)試件數(shù)目及試驗(yàn)條件的限制，很難對(duì)9CrSi焊接接頭的疲勞壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，在這里僅作定性分析.

分析得出，強(qiáng)化后試件的疲勞壽命均比未經(jīng)放電強(qiáng)化的試件高，每組均提高10%以上；經(jīng)放電強(qiáng)化試件的平均疲勞壽命比未經(jīng)強(qiáng)化試件平均壽命提高了15.23%，表明試件經(jīng)脈沖放電后，接頭的疲勞壽命有所提高，接頭的疲勞強(qiáng)度得到改善.

4 接頭疲勞壽命影響機(jī)理

綜合第一部分理論分析及第三部分的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果可知：由于強(qiáng)脈沖電流使缺陷附近產(chǎn)生負(fù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，削弱了缺陷擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，從而改善焊接接頭的疲勞強(qiáng)度且有效提高焊接接頭的疲勞壽命，同時(shí)也說明了負(fù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子可以抑制缺陷的擴(kuò)展，提高疲勞壽命.

向帶有缺陷的焊接接頭中通入強(qiáng)脈沖電流時(shí)，由于缺陷附近的電流繞流集中效應(yīng)，在焊接接頭的熱影響區(qū)發(fā)生了超高速的沖擊淬火，使焊接缺陷處的組織晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化可以提高金屬的微量塑性抗力，使塑性變形均勻分布，因而會(huì)延緩疲勞裂紋的形成，從而提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)經(jīng)脈沖電流處理使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小，材料中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能被釋放出來，消除或減小了殘余應(yīng)力，因此認(rèn)為試件損傷向有利于材料性能的方向發(fā)展[10]. 另一方面脈沖電流形成的電動(dòng)力促使金屬內(nèi)部損傷處的晶粒克服畸變處阻力，向恢復(fù)原位運(yùn)動(dòng)，使畸變緩解或者消失，從而使損傷愈合. 當(dāng)畸變不能回復(fù)原位時(shí)則在損傷處形成焊口，遏制損傷的擴(kuò)展，提高了疲勞壽命[11].

5 結(jié) 論

(1) 理論分析部分推導(dǎo)出了脈沖放電瞬間裂紋尖端的綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子，表明由脈沖放電引起的電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子為負(fù)值，削弱了試件斷裂的驅(qū)動(dòng)力，從而提高焊接接頭的疲勞壽命.

(2) 不同放電電壓條件下的壽命試驗(yàn)分析表明，放電電壓對(duì)疲勞壽命的影響存在最優(yōu)值，含孔洞缺陷的9CrSi焊接接頭的最佳放電強(qiáng)化電壓為5.5 kV.

(3) 9CrSi試件經(jīng)5.5 kV電壓放電強(qiáng)化后，焊接接頭的平均壽命達(dá)到最大值，比未強(qiáng)化試件提高了10%以上，有效地改善了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度.

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收稿日期：2015-04-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105325)； 河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014203223,E2015203217)

作者簡(jiǎn)介：付宇明，男，1971年出生，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師. 主要從事電磁熱止裂強(qiáng)化技術(shù)的研究. 發(fā)表論文90余篇. Email： mec9@ysu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TG 407

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0253-360X(2017)04-0031-04