[发明专利]用超声和电脉冲耦合提高焊缝区力学性能和耐蚀性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属件焊缝区表面处理技术，特别是一种用超声和电脉冲耦合提高金属件焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，在金属件焊缝区（包括焊缝和焊接热影响区）加载高频脉冲电流过程中，同时对其表面进行超声频的冲击，改善其表层微观组织结构和应力状态，提高其力学性能和耐蚀性。

背景技术

焊缝作为两个金属物体通过焊接连接的区域，其性能直接影响整个结构的安全性。在焊接产品和结构在服役过程中，焊缝区容易出现的是疲劳破坏。焊缝和焊接热影响区存在着严重的应力集中和焊接残余应力，使这些地区易于产生疲劳裂纹。另外材料的服役环境是处于腐蚀介质中，在残余应力和腐蚀介质共同作用下可能引起应力腐蚀破坏。在这种状况下，腐蚀裂纹扩展的速度非常快，极大的缩短结构的寿命。在影响焊缝疲劳寿命的诸多因素中，残余应力是难以避免的，也不容易通过优化焊接工艺和结构设计进行消除，必须在焊接后采用其他方式进行处理。提高焊接结构疲劳强度的有效途径有四点：1.改变焊缝的几何外形，降低焊趾部位的应力集中。2.消除接头部位的表层焊接缺陷和显微缺陷。3.调节残余应力，消除其消极影响，使其向有利于疲劳强度提高的方向转变。4.对接头位置尤其是焊趾区进行表面改性，使其组织得到强韧化。

在各种提高焊接疲劳性能的工艺中，超声冲击由于其设备轻便、效率高、成本低等诸多优势一种理想的焊接后改善接头疲劳性能的措施。采用超声冲击设备对金属表面进行处理，对金属表面组织结构有两种效果。首先是局部的塑性变形使表层金属晶粒细化。表层应变量较大的地区晶粒可以细化到亚微米级。晶粒细化可以有效提高金属表面强度和韧性。其次超声冲击可以在金属表面产生压向残余应力，压向应力可以有效提高材料的应力强度因子差值的阀值，对于疲劳裂纹来说，可以有效阻碍裂纹萌生和早期扩张，同时有效避免应力造成的腐蚀。

上述超声冲击处理工艺设备简单，操作简便，目前已经大量应用于焊接的后续处理。然而该工艺存在的不足之处主要可以归结为以下几点：

1.超声冲击后，焊缝表面的金属将出现很大的加工硬化。加工硬化虽然可以提高结构的强度，但是由于缺乏塑性变形能力，使其出现脆性的倾向，这对结构的安全性埋下隐患。过度的超声冲击后，冲击触头在金属表层留下划痕或微裂纹等表面缺陷，表面缺陷可能直接成为裂纹源，反而对金属结构的疲劳强度有害。

2.由于金属自身的形变抗力，超声冲击只造成表层局部的塑性变形，晶粒细化的深度有限，一般不超过200微米。

3.单纯的超声冲击需要较长的时间才能使焊缝组织达到较高的残余应力状态，一条普通的焊缝可能需要几个小时的冲击，从人力成本和时间成本上来说，都是不够经济的。而长时间的冲击造成的金属表面损伤也不可能通过超声进行修复，这是超声冲击的矛盾所在。

发明内容

针对当前工业和工程中广泛采用的超声冲击对焊缝和热影响区后处理存在的缺陷，本发明提供一种用超声和电脉冲耦合提高金属件焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，将将高频电脉冲与超声冲击进行耦合共同作用于焊缝和焊接热影响区表面，在处理过程中动态的对其表面进行适当软化和组织修复，以弥补单纯超声冲击带来的表面加工硬化和宏观表面缺陷等问题，提高焊缝结构的力学性能和耐蚀性，延长结构寿命。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种用超声和电脉冲耦合提高金属件焊缝区力学性能和耐蚀性的方法，包括如下步骤：选择金属件的焊缝和焊接热影响区域作为超声冲击的工作区域，导入脉冲电流至金属件的焊缝表面和焊接热影响区表面进行电致塑性处理，同时超声冲击设备通过其高硬度冲击压头对该工作区域的表面依次进行超声冲击处理。

其中，超声冲击静压力为30N—200N。

所述脉冲电流的方向与所述金属件的焊缝之间夹角最好为50-90度。

所述金属件焊缝区包括焊缝和焊接热影响区域，本方法将焊缝表面和焊接热影响区域表面作为高频脉冲电流和超声冲击作用表面（待处理表面），导入的脉冲电流参数为频率100-5000Hz、脉宽20-1000μs、峰值电流100-10000A。所述高硬度冲击压头的振动频率20000-60000Hz，振幅5-25μm。

所述超声冲击设备可以由支撑设备带动以速度1-20mm/s相对于所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区表面平移。当对所述金属件的焊缝表面和焊接热影响区表面进行往复移动超声冲击处理时，超声冲击工作速度为0.05-5cm²/min。