一种优化焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种优化电弧焊焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法，包括以下步骤：首先进行焊接前的准备工作，对焊缝坡口内的母材使用酒精进行清洗，去除机械加工附着的油污，清洗后用吹风机吹干；进行第1层焊道的焊接，焊接完第1层焊道后，使用铁丝刷去除焊渣；待第1层焊道冷却到500度以下至室温时使用超声冲击设备对第1层焊道进行超声冲击；超声冲击完第1层焊道后，使用铁丝刷去除超声冲击过程引起的夹渣；重复步骤上述过程，直至焊接完整个焊缝。本发明的一种优化焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法，在多层多道焊焊接过程中，对焊缝进行分层超声冲击，优化焊缝内部的力学性能。
【专利说明】
一种优化焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及优化焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法，属于焊接领域。
【背景技术】
[0002] 在焊接条件下焊缝组织通常以柱状晶的形态向焊缝中心生长，当热焊缝输入过大 容易形成粗大的柱状晶。尤其在多层多道焊焊接过程中，焊缝经历多次焊接热循环过程，容 易导致焊缝内部组织恶化和力学性能下降。
[0003] 超声冲击是一种较为理想的焊后处理方法，焊后超声冲击的原理是通过冲击针高 速撞击焊接接头表面使其发生塑性变形，并形成一定厚度的残余压应力层。该方法操作方 便、冲击效果显著，并可以用于多种接头形式。目前关于焊缝超声冲击不同冲击工艺的研究 有很多其主要的工艺方法有：
[0004] 1)焊后焊缝焊趾部位超声冲击。该方法是焊后对焊缝焊趾部位进行超声冲击，通 过增大焊趾过度半径来降低应力集中，提高接头的疲劳性能。但是该工艺方法主要是针对 改善焊缝表面形态来提高接头性能，该方法没有提及对焊缝内部组织和力学性能的优化。
[0005] 2)焊后焊缝表面超声冲击。该方法主要是通过超声冲击在焊缝表面产生塑性变形 和残余压应力层。但是该方法产生的塑性变形层仍需要打磨来降低粗糙度，对焊缝内部组 织的细化也只有100μπι左右，深度非常有限。
[0006] 3)随焊超声冲击。该方法是在焊接过程中对熔池后方一定距离的焊缝背面进行超 声冲击，该方法无法改变焊缝组织形态，而且该方法对设备要求较高，需要专门的装置，现 场施工比较困难。
【发明内容】
[0007] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种优化焊缝组织和性 能的分层超声冲击处理方法，在多层多道焊焊接过程中，对焊缝进行分层超声冲击，优化焊 缝内部的力学性能。
[0008] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种优化焊缝组织和性能的分层超声 冲击处理方法，包括以下步骤：
[0009] (1 )、焊接前准备：首先进行焊接前的准备工作，对焊缝坡口内的母材使用酒精进 行清洗，去除机械加工附着的油污，清洗后用吹风机吹干；
[0010] (2)、分层超声冲击前准备:进行第1层焊道的焊接，焊接完第1层焊道后，使用铁丝 刷去除焊渣；
[0011] (3)、分层超声冲击:待第1层焊道冷却到500度以下至室温时使用超声冲击设备对 第1层焊道进行超声冲击；
[0012] (4)、分层超声冲击后焊缝表面处理:超声冲击完第1层焊道后，使用铁丝刷去除超 声冲击过程引起的夹渣；
[0013] (5)、重复步骤(2)-(4)，直至焊接完整个焊缝。
[0014] 作为优选，所述步骤(3)中超声冲击频率为20KHZ，超声冲击强度为10s/cm2,所述 超声冲击装置的冲击针头为直径4mm的半球形，冲击针头的硬度不低于940HV，冲击针个数 为4~6个。
[0015] 作为优选，所述步骤（3)中超声冲击沿焊接方向进行，冲击覆盖率为100% - 200% 〇
[0016] 在本发明中，主要是利用超声冲击装置，所述的超声冲及装置主要包括超声波频 率电源、内置换能器的超声冲击枪和冲击针，通过超声波发生器将工频电流转变为20KHz的 超声频交流电，用以激励声学系统的换能器，换能器将电能转换为相同频率的机械振动，冲 击焊缝。超声冲击后焊层表面产生一定深度的强化层，该强化层晶粒得到细化，并存在一定 深度的残余压缩应力层。后续焊道在超声冲击后的焊层上焊接，超声冲击层的存在改变了 后续焊道的一次凝固结晶过程，使焊缝组织发生转变，力学性能得到优化。该发明适用于多 种形式的熔化焊焊接过程。
[0017] 有益效果:一种优化熔化焊焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法，具有以下 优点：
[0018] 1、本发明可细化焊缝内部晶粒，使平均面积0.05mm2焊缝柱状晶区的柱状晶，转变 为平均面积为0.0006mm 2的等轴晶；
[0019] 2、本发明可优化厚板多层多道焊焊缝内部组织，使焊缝组织由粗大的柱状晶转变 为细小的等轴晶，优化深度可达到整个焊缝厚度；
[0020] 3、本发明优化焊缝内部的力学性能，使焊缝冲击性能提高5 %及以上。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明实施例对焊缝进行分层超声冲击示意图，其中（a)打底焊焊接示意 图，（b)对第一层焊层进行超声冲击示意图，（c)超声冲击后继续进行焊接示意图，（d)对第 二层焊缝进行超声冲击示意图，（e)对焊缝的最后焊层进行超声冲击示意图；
[0022] 图2是生长在没有经过超声冲击上的柱状晶组织；
[0023] 图3是生长在经过超声冲击层上的等轴晶组织。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的描述：
[0025] 本实施例进行A、B两个试件的二氧化碳气保护焊接，试件A为无超声冲击焊件，试 件B为采用分层超声冲击方法处理的焊件。试件A和试件B均为55mm厚Q345钢板，焊缝坡口角 度60度，焊接方法为二氧化碳气体保护焊，试件A和B在同一焊接参数下进行焊接。试件A作 为对比试验，焊接工艺及参数均与分层超声冲冲击试验B-致。如图1所示，该工艺具体步骤 如下：
[0026] 第一步:焊接前的准备工作:对试件A和试件B焊缝坡口内的母材使用酒精进行清 洗，去除机械加工附着的油污，清洗后用吹风机吹干；
[0027]第二步:焊接工作:选择合理的焊接工艺参数(焊接电压、焊接电流、保护气流量） 进行试件A和试件B第一层焊道的焊接；
[0028]第三部:分层超声冲击前的准备工作：分层超声冲击试件B在焊接完第1层焊道之 后，用铁丝刷去除焊缝表面的焊渣，待焊缝冷却至500度以下至室温；
[0029] 第四步:分层超声冲击实施工艺:使用JSKD-D型超声冲击设备对试件B的第1层焊 道均匀的进行超声冲击，冲击枪重量为5Kg，冲击针直径为4mm，4个冲击针，超声冲击强度为 10s/cm 2，超声频率20KHz，超声冲击覆盖率为200 %，冲击枪垂直于焊道，并在冲击枪自重的 作用下（5Kg)进行超声冲击，选择高硬质合金作为冲击针头(硬度不低于900HV)，以获得冲 击效果较好的冲击层，超声冲击过程中，冲击针要基本垂直于被冲击焊层表面，略施压力， 但是基本在自重作用下进行超声冲击；
[0030] 第五步:第一层焊道超声冲击结束后焊接第2层焊道，以同样的超声冲击参数对第 2层焊缝进行超声冲击。重复"焊接一超声冲击一焊接"这个过程，直至焊缝填满，完成整个 焊缝的分层超声冲击过程。
[0031] 效果评定:将无超声冲击焊缝A和分层超声冲击焊缝B切割金相样，并在A、B焊缝内 部同一位置分别切割制成夏比V形缺口冲击试样，进行0度冲击试验。通过对比无超声冲击 焊缝A和分层超声冲击焊缝B内部微观组织和冲击韧性，来分析本发明工艺的优越性。
[0032] 如图2所示，无超声冲击焊缝A内部组织为粗大的柱状晶1形态，经分层超声冲击 后，生长在冲击层上焊道内部组织转变为细小的等轴晶2形态，如图3所示。如表1所示，焊缝 经分层超声冲击后，焊缝B的冲击吸收功经分层超声冲击后提高了 13.4%。
[0033] 表 1
[0036]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种优化电弧焊焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法，其特征在于，包括以下 步骤： (1) 、首先进行焊接前的准备工作，对焊缝破口内的母材使用酒精进行清洗，去除机械 加工附着的油污，清洗后用吹风机吹干； (2) 、进行第1层焊道的焊接，焊接完第1层焊道后，使用铁丝刷去除焊渣； (3) 、待第1层焊道冷却到500度以下至室温时使用超声冲击设备对第1层焊道进行超声 冲击； (4) 、超声冲击完第1层焊道后，使用铁丝刷去除超声冲击过程引起的夹渣； (5) 、重复步骤(2)-(4)，直至焊接完整个焊缝。2. 根据权利要求1所述的优化焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法，其特征在于： 所述步骤(3)中超声冲击频率为20KHz，超声冲击强度为10s/cm2,所述超声冲击装置的冲击 针头为半球形，直径为4mm，冲击针头硬度不低于900HV，冲击针个数为4~6个。3. 根据权利要求1所述的优化焊缝组织和性能的分层超声冲击处理方法，其特征在于： 所述步骤(3)中超声冲击过程沿焊接方向进行，冲击覆盖率为100 % -200 %。
【文档编号】B23K9/16GK106041268SQ201610490184
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】刘川, 葛庆磊, 陈东俊, 杨嘉伟, 邹家生, 许祥平
【申请人】江苏科技大学