分层超声冲击处理大厚板焊接接头的性能研究(附件)【字数：13239】
摘 要摘 要本文采用盖面前超声冲击和分层超声冲击处理55mm厚Q345钢焊接接头，与无超声冲击接头对比了微观组织、显微硬度、剪切强度、冲击韧性和断口组织形貌。试验结果表明分层超声冲击焊接接头相比无超声冲击焊接接头，力学性能上在焊缝内部积累强化效应，焊缝内部硬度升高，焊缝整体呈现软夹硬的三明治效果，剪切强度最大可提高15.7%，强化焊缝力学性能；焊缝冲击功提高13.6%；组织上改变了后续焊道的凝固结晶过程，使焊缝组织细化，焊缝组织由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶。冲击试验发现，经分层超声冲击的焊缝，冲击断口有深密的韧窝特征，是冲击断裂过程位错受阻留下的的痕迹，表明经分层超声冲击后，晶粒细化使焊缝韧性提高。盖面前超声冲击接头相比无冲击接头，在焊缝内部10-25mm深度上显微硬度降低；焊缝内部力学性能软化，在焊缝中部25mm处软化效果最明显，剪切强度降低13.2%；其接头冲击功相比无UIT接头冲击功并无无明显变化。关键词分层超声冲击；显微硬度；焊缝微观组织；剪切强度；冲击韧性
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 超声冲击的应用与发展 3
1.2.1 超声冲击在焊接中的应用 3
1.2.2 超声冲击国内外研究现状 4
1.3微冲剪实验发展概况 5
1.4 课题的主要研究内容与目的 6
第二章 试验方法与设备 7
2.1 课题研究方案 7
2.2 Q345钢焊接工艺方法 8
2.3 超声冲击 9
2.3.1 超声冲击工艺方法 9
2.3.2 超声冲击设备与方法 11
2.4 微观组织观察（SEM）试验 12
2.5 硬度试验 12
2.6 微冲剪试验 13
2.6.1 微冲剪试验方法 13
2.6.2 微冲剪试验优点 14
2.6.3 试验数据处理 14
2.7 冲击试验 14
2.8 断口形貌超景深拍摄 15
第三章 微观组织及显微硬度分析 16
3.1 母材及焊缝表面超声冲击 16
3.2 超声冲击焊缝内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
部显微金相分析 17
3.3 显微硬度测量结果 21
3.4 本章小结 25
第四章 微冲剪试验分析 26
4.1 试样制备及试验方法 26
4.1.1 试验材料 26
4.1.2 微冲剪试验设备 26
4.1.3 数据拟合及剪切强度的计算 27
4.2 试验结果与分析 28
4.2.1 试样厚度对剪切强度的影响 28
4.2.2 试验结果与讨论 28
4.3 本章小结 32
第五章 冲击试验与断口形貌分析 33
5.1 Q345接头冲击试样 33
5.2 冲击试验结果 34
5.3 断口形貌分析 34
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 研究背景
Q345钢属于16Mn系列钢种，生产用于中厚板已有历史近60年，在中板厂的产量中所占比例最大、涵盖的规格范围和品种也是最多。Q345钢具有良好的耐蚀性、高强度、高韧性以及良好的焊接性能，这种钢属于低合金高强度结构钢，一般来说在热轧状态下使用，它具有良好的综合力学性能。
虽然Q345钢性能优良，不过因其是大厚板焊接，焊接接头依然会存在一些厚板焊接已产生的性能和应力问题。大厚板多层多道焊的产品在生产制造及服役期间易产生脆性断裂，其焊接接头在焊接热循环作用下焊接接头易出现粗大组织、应变时效脆化等性能问题，同时也存在着相比薄板焊接更为严重的因焊接时局部热输入和不均匀应变产生的焊接残余应力问题，且随着钢材级别和厚度的提高以及钢结构的整体的大型化，焊缝拘束度会进一步增加[1]。
传统应力调控方法有普通捶击法、TIG熔修法还有喷丸法[24]来应对这些问题。普通锤击法噪声大、劳动强度大、效率低、可控性差，除此之外效果还很不稳定[5]；TIG熔修法其可以改善焊趾形貌，消除焊缝的表面缺陷，减少焊趾处应力集中，不过TIG熔修法施工工艺复杂，工艺一旦不当很容易会造成副作用，这种方法还需要保护气体，露天采用气体保护在实施中难以保证，应用受到一定限制[6,7]；喷丸法是在实际应用比较多的一种，但是这种方法也存在着设备庞大、一次投资量大、噪声大、耗电量大（不利于节能）、不能方便地移动作业致使野外施工困难，且由于丸粒反弹，还存在安全防护问题，之外丸粒需要回收清理；普通捶击法效率低、劳动强度大、可控性差、效果不稳定，同时噪声也大[8]。
但以上这些方法大多只针对应力调控，很少能做到对接头性能的调控改善，如今用超声波冲击的方法来提高焊接接头性能逐渐发展起来，该方法的机理与锤击法和喷丸法基本一致，不过其执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，适用于各种接头[9]、成本低而且节能，是一种理想的焊后改善焊接接头性能的措施。故而，超声冲击的方法如今越来越受到欢迎。
大厚板多层多道焊过程中，极易产生焊接缺陷如：夹渣、气孔、未熔合等，焊接接头区域经常会成为整个结构中最为薄弱的部分。对于大厚板焊接，明显地，仅对焊接接头表面进行超声冲击处理、调控是远远不能够解决厚板缺陷和性能问题。大厚板焊接接头的主要问题在于焊接接头内部，超声冲击处理可以对表层组织有明显性能改善效果，本课题在多层多道焊过程中焊道层用超声冲击处理，将前一层焊道变为性能改善的冲击层，再施加后续焊道，如此循环，使各层焊道间相互作用、影响，从而研究超声冲击对焊接接头内部组织、性能的影响效果。本课题首次通过2类冲击方法得到三类焊接接头：分层超声冲击处理（对除去打底焊层和盖面前的焊道层进行超声冲击处理）、盖面前超声冲击处理（仅对盖面前一层焊道进行超声冲击处理）和无超声冲击处理，进行性能试验测定来探讨其对于大厚板焊接接头的性能影响。
焊接接头是非均质材料，组织和力学性能不均匀是其显著特点。因此，国内外对于能否做到针对焊接接头力学性能得到准确的评价，一直不断进行更为深入的研究。对于焊接接头处性能的检测，传统方法大多为为机械性能试验方法（例如冲击试验、拉伸试验等）、断裂力学试验法（落锤试验、三点弯曲试验、宽板试验等），以上这些试验方法只能得到宏观的焊接接头性能，无法对焊接结构的优化提供更为详细的力学性能参数。而且对具体的某一区域的性能，尤其是对于微小的热影响区更是难以进行准确的检测。虽然可以采用焊接热模拟技术针对焊接区域的微观组织特征以及热影响区力学性能进行研究，但是其试验结果并不能够完全的反应焊接热影响区在实际焊接的过程中的真实情况，且试验成本较高，实施应用中受到限制[10]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 超声冲击的应用与发展 3
1.2.1 超声冲击在焊接中的应用 3
1.2.2 超声冲击国内外研究现状 4
1.3微冲剪实验发展概况 5
1.4 课题的主要研究内容与目的 6
第二章 试验方法与设备 7
2.1 课题研究方案 7
2.2 Q345钢焊接工艺方法 8
2.3 超声冲击 9
2.3.1 超声冲击工艺方法 9
2.3.2 超声冲击设备与方法 11
2.4 微观组织观察（SEM）试验 12
2.5 硬度试验 12
2.6 微冲剪试验 13
2.6.1 微冲剪试验方法 13
2.6.2 微冲剪试验优点 14
2.6.3 试验数据处理 14
2.7 冲击试验 14
2.8 断口形貌超景深拍摄 15
第三章 微观组织及显微硬度分析 16
3.1 母材及焊缝表面超声冲击 16
3.2 超声冲击焊缝内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
部显微金相分析 17
3.3 显微硬度测量结果 21
3.4 本章小结 25
第四章 微冲剪试验分析 26
4.1 试样制备及试验方法 26
4.1.1 试验材料 26
4.1.2 微冲剪试验设备 26
4.1.3 数据拟合及剪切强度的计算 27
4.2 试验结果与分析 28
4.2.1 试样厚度对剪切强度的影响 28
4.2.2 试验结果与讨论 28
4.3 本章小结 32
第五章 冲击试验与断口形貌分析 33
5.1 Q345接头冲击试样 33
5.2 冲击试验结果 34
5.3 断口形貌分析 34
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 研究背景
Q345钢属于16Mn系列钢种，生产用于中厚板已有历史近60年，在中板厂的产量中所占比例最大、涵盖的规格范围和品种也是最多。Q345钢具有良好的耐蚀性、高强度、高韧性以及良好的焊接性能，这种钢属于低合金高强度结构钢，一般来说在热轧状态下使用，它具有良好的综合力学性能。
虽然Q345钢性能优良，不过因其是大厚板焊接，焊接接头依然会存在一些厚板焊接已产生的性能和应力问题。大厚板多层多道焊的产品在生产制造及服役期间易产生脆性断裂，其焊接接头在焊接热循环作用下焊接接头易出现粗大组织、应变时效脆化等性能问题，同时也存在着相比薄板焊接更为严重的因焊接时局部热输入和不均匀应变产生的焊接残余应力问题，且随着钢材级别和厚度的提高以及钢结构的整体的大型化，焊缝拘束度会进一步增加[1]。
传统应力调控方法有普通捶击法、TIG熔修法还有喷丸法[24]来应对这些问题。普通锤击法噪声大、劳动强度大、效率低、可控性差，除此之外效果还很不稳定[5]；TIG熔修法其可以改善焊趾形貌，消除焊缝的表面缺陷，减少焊趾处应力集中，不过TIG熔修法施工工艺复杂，工艺一旦不当很容易会造成副作用，这种方法还需要保护气体，露天采用气体保护在实施中难以保证，应用受到一定限制[6,7]；喷丸法是在实际应用比较多的一种，但是这种方法也存在着设备庞大、一次投资量大、噪声大、耗电量大（不利于节能）、不能方便地移动作业致使野外施工困难，且由于丸粒反弹，还存在安全防护问题，之外丸粒需要回收清理；普通捶击法效率低、劳动强度大、可控性差、效果不稳定，同时噪声也大[8]。
但以上这些方法大多只针对应力调控，很少能做到对接头性能的调控改善，如今用超声波冲击的方法来提高焊接接头性能逐渐发展起来，该方法的机理与锤击法和喷丸法基本一致，不过其执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，适用于各种接头[9]、成本低而且节能，是一种理想的焊后改善焊接接头性能的措施。故而，超声冲击的方法如今越来越受到欢迎。
大厚板多层多道焊过程中，极易产生焊接缺陷如：夹渣、气孔、未熔合等，焊接接头区域经常会成为整个结构中最为薄弱的部分。对于大厚板焊接，明显地，仅对焊接接头表面进行超声冲击处理、调控是远远不能够解决厚板缺陷和性能问题。大厚板焊接接头的主要问题在于焊接接头内部，超声冲击处理可以对表层组织有明显性能改善效果，本课题在多层多道焊过程中焊道层用超声冲击处理，将前一层焊道变为性能改善的冲击层，再施加后续焊道，如此循环，使各层焊道间相互作用、影响，从而研究超声冲击对焊接接头内部组织、性能的影响效果。本课题首次通过2类冲击方法得到三类焊接接头：分层超声冲击处理（对除去打底焊层和盖面前的焊道层进行超声冲击处理）、盖面前超声冲击处理（仅对盖面前一层焊道进行超声冲击处理）和无超声冲击处理，进行性能试验测定来探讨其对于大厚板焊接接头的性能影响。
焊接接头是非均质材料，组织和力学性能不均匀是其显著特点。因此，国内外对于能否做到针对焊接接头力学性能得到准确的评价，一直不断进行更为深入的研究。对于焊接接头处性能的检测，传统方法大多为为机械性能试验方法（例如冲击试验、拉伸试验等）、断裂力学试验法（落锤试验、三点弯曲试验、宽板试验等），以上这些试验方法只能得到宏观的焊接接头性能，无法对焊接结构的优化提供更为详细的力学性能参数。而且对具体的某一区域的性能，尤其是对于微小的热影响区更是难以进行准确的检测。虽然可以采用焊接热模拟技术针对焊接区域的微观组织特征以及热影响区力学性能进行研究，但是其试验结果并不能够完全的反应焊接热影响区在实际焊接的过程中的真实情况，且试验成本较高，实施应用中受到限制[10]。
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