十、如何采用超聲沖擊處理技術提高鋁合金焊接接頭的強度？

目前，國內大多數企業生產過程中仍然采用氬弧焊作為焊接鋁合金的主要焊接方法，由于該方法在焊接過程要輸入大量的熱，焊接件容易產生較大的焊接殘余應力，同時焊縫兩側和填充材料經過焊接過程的重新熔化和冷卻過程的再結晶，會在焊縫處形成鑄態組織，焊縫也容易出現氣孔、縮松等焊接缺陷，造成焊后接頭強度降低，使其鋁合金的應用受到了較大限制。

為改善高強鋁合金焊接接頭的力學行為，提高接頭力學性能，國內外進行了大量的理論研究和試驗研究，從力學角度和冶金角度開發出了多種強化焊接接頭的方法。這些方法雖然能較好地提高鋁合金焊接接頭的強度，但均存在一定的不足。目前，有研究者研究了超聲沖擊處理技術，利用該技術處理焊接后的鋁合金焊縫收到了較好的效果。超聲沖擊處理技術是近年來發展起來的提高焊接接頭疲勞強度的方法，相對于傳統的其他焊后處理技術，該技術在降低應力方面效果比較明顯，處理后的焊縫強化層深度大，而且處理成本低、能耗少，尤其是該方法便于野外現場作業，因此是一種較為理想的改善焊接接頭性能的方法。

例如，針對焊接基材板厚分別為6mm和4mm的2A12鋁合金板材進行焊接和超聲沖擊處理，2A12鋁合金板材為T4態，焊接用焊絲選用ER5356鋁鎂合金焊絲，焊絲直徑為2.5mm。基材與焊絲的主要化學成分見表1-3。

焊接工藝采用手工交流氬弧焊（TIG），焊接過程采用無拘束雙面焊接，焊接工藝參數見表1-4。

焊件的超聲沖擊處理是將焊后的試樣平置于工作臺上，使用ZJ-Ⅱ超聲沖擊設備沿焊接接頭進行全覆蓋沖擊處理（處理過程如圖1-4所示）。超聲沖擊處理的道次為3次。超聲沖擊處理設備工作的電流為0.8～1.0A，振動頻率為20kHz，靜壓力為50N。

超聲沖擊處理前后焊接接頭焊縫區的顯微組織如圖1-5所示。由圖1-5（a）可見，未處理的焊縫主要為鑄態的枝晶組織，這種鑄態組織晶粒較粗大，而且晶粒大小很不均勻，組織也不致密，粗大的枝晶形結構弱化了晶界的連接，在外力作用下容易沿晶斷裂，使焊接接頭的拉伸性能變差。超聲沖擊處理后的組織如圖1-5（b）所示，超聲沖擊處理中劇烈的塑性變形可致使焊縫表層的顯微組織發生明顯的變化，使晶粒尺寸大幅減小，組織更加致密。

理論上，由Hall-Petch公式可知，焊縫區組織的晶粒越細小，焊縫的強度就會越高。同時，晶粒細化還能有效改善焊縫的韌性。其主要原因是細小的晶粒可以使材料斷裂前就能夠承受更大程度的變形，使焊縫強度提高的同時韌性也得以提高。

在工程上，不少焊件是受靜載荷作用的。為了解超聲沖擊處理對鋁合金焊接接頭靜載力學性能的影響，有研究者對鋁合金板材、超聲沖擊處理進行了靜載荷拉伸試驗。圖1-6為6mm厚2A12鋁合金母材試樣拉伸應力-應變曲線。

由圖1-6可見，載荷比較小時，試樣伸長隨載荷增加而增加，該過程為彈性變形階段；當載荷超過A點后，拉伸曲線開始偏離直線，試樣在繼續產生彈性變形的同時將產生塑性變形，進入彈塑性變形階段；當載荷上升至B點時，試樣產生斷裂。試樣在拉伸過程中由彈性變形過渡到明顯塑性變形，中間經歷了屈服階段，拉伸曲線上出現了平臺（AB段）。試樣從變形開始到斷裂的全過程是由彈性變形、塑性變形和斷裂3個階段組成，斷裂前出現明顯的塑性變形，屬于韌性斷裂。試樣的峰值應變在0.26～0.28之間，峰值應力在460～470MPa之間。經計算，6mm厚2A12鋁合金板材的抗拉強度為465MPa，峰值應變為0.272。

超聲沖擊處理前后6mm和4mm鋁板焊接接頭在與母材同一加載形式下的拉伸應力-應變曲線如圖1-7所示。由圖1-7可見，未處理焊接接頭試樣主要由彈性變形和斷裂2個階段組成，斷裂前塑性變形程度很小，屬于脆性斷裂，斷裂前沒有明顯的征兆，此種情形危害性很大。經超聲沖擊處理的4mm鋁板焊接接頭試樣從變形開始到斷裂的全過程是由彈性變形、塑性變形和斷裂3個階段組成，斷裂前也出現了較為明顯的塑性變形階段，拉伸曲線上出現了鋸齒（如圖1-7（d）中的CD段所示），但塑性變形階段較短，屬于韌性-脆性混合斷裂。未經超聲沖擊處理的6mm和4mm試樣的峰值應變在0.07～0.09之間，峰值應力在190～210MPa之間；超聲沖擊處理后試樣的峰值應變在0.08～0.12之間，峰值應力在220～270MPa之間。計算結果表明，超聲沖擊處理后的6mm和4mm厚的2A12鋁合金板材焊接接頭的拉伸強度分別提高了17.4％和23.7％，延伸率提高了28％和44％。超聲沖擊處理同時提高了鋁合金焊接接頭的斷裂強度及韌性，對于薄板焊接接頭效果更為明顯，可見該方法是一種較為理想的改善焊接接頭力學性能的方法。

6mm厚鋁合金母材經超聲沖擊處理前后焊接接頭試樣拉伸斷裂宏觀形貌如圖1-8所示。從圖1-8可以看出，母材試樣拉伸斷裂前都產生了明顯的頸縮，斷口呈現出剪切特征，剪切斷裂面和拉伸載荷軸的夾角大約呈45°；未處理試樣在焊趾部位萌生裂紋并基本上沿熔合線斷裂；經超聲沖擊處理過的試樣均斷裂在焊縫部位。熔合區存在嚴重的物理和化學不均勻性，使得該區域成為焊接接頭一個較薄弱的區域，所以未處理試樣會在熔合區沿熔合線斷裂，經超聲沖擊處理的試樣斷裂在焊縫區域。以上現象說明，超聲沖擊處理不但有效地強化了焊接接頭薄弱的焊趾部位，而且還降低了焊趾部位的應力集中。但是，由于焊接接頭余高的存在，使得焊縫中部斷面較厚，超聲沖擊處理對焊縫芯部的作用就有所減弱，這也是造成有些焊接件超聲沖擊處理后在焊縫中部斷裂的主要原因。

焊接接頭拉伸試樣宏觀斷口形貌如圖1-9所示。從圖1-9可以看出，未經處理試樣裂紋源位于焊縫中心夾雜處（如圖1-9中箭頭處所示），由裂紋源向四周擴展，存在明顯的放射狀區域，斷口表面粗糙，屬于典型的脆性斷裂；經超聲沖擊處理試樣無明顯的放射線區域，裂紋不連續，而且多是局部擴展，斷口表面相對細膩，沒有發現粗大的棱線。未經處理的焊接接頭的熔合區由于存在較多的焊接缺陷密集，使這個區域晶界的鍵合力被嚴重削弱，從而發生沿晶斷裂。全覆蓋超聲沖擊處理后，整個焊接接頭的表層晶粒細化，組織結構更加均勻一致，使裂紋擴展方式發生改變，多為局部擴展。

以上結果也說明焊接中2A12鋁合金板材焊接工藝參數的選擇也比較合理，焊后焊接接頭的超聲沖擊處理工藝完全可以用來提高鋁合金焊接接頭的抗拉伸性能。未經超聲沖擊處理的焊接接頭拉伸試樣斷裂發生在焊趾和熔合區，處理后斷口均在焊縫中部斷面，表明超聲沖擊處理使焊接接頭薄弱的焊趾部位得到了有效強化。其中，超聲沖擊處理后焊接接頭晶粒大幅細化、缺陷減少和組織致密化是提高鋁合金焊接接頭抗拉伸性能的主要原因。