大面积激光冲击对高强度钢EH36焊接结构力学性能的影响

张 超 王 匀

（1.江苏城乡建设职业学院，江苏 常州213000；2.江苏科技大学，江苏 镇江212000；3.江苏大学，江苏 镇江212000）

激光冲击强化技术 (laser shock processing,LSP)通过其短时间形成的高能脉冲，对金属表面进行快速准确的冲击，改变金属表面的应力变化，同时细化金属表面的晶粒，达到改善金属表面性能的目的，具有可控、清洁、高效等特点[1-3]。目前，激光强化逐渐应用在焊接领域。由于焊接结构的复杂性，焊接接头出现粗大组织等缺陷以及残余应力可能会引起脆性断裂、疲惫断裂、应力腐蚀破坏以及降低结构的稳定性。对此，为了降低焊接接头的缺陷，提高其力学性能，往往需要对焊接后的结构进行处理，达到改善焊接性能的目的，例如：爆炸处理、锤击处理、振动处理等[4-6]。相比于这些方法，激光参数灵活可调,在处理一些复杂焊接结构时，通过对激光冲击参数的调整，能够有效地应对各种复杂焊接构件对焊接结构性能的要求。目前，有关LSP改善焊接接头力学性能的研究工作已经取得了一些进展，国内外研究人员在一些材料上做了激光冲击强化的研究[7-9]，但有关利用LSP技术改善厚板高强度钢EH36接头力学性能的研究较少。

本文通过试验对高强度钢EH36焊接接头进行激光冲击强化，通过改变不同的激光冲击工艺参数，对比分析了激光冲击强化前后焊接结构力学性能的变化，探讨了激光冲击强化参数变化与焊接结构力学性能之间的关系，为激光冲击强化在高强度钢焊接领域的应用提供借鉴。

1.试验材料和方法

1.1 试验材料

试样材料采用EH36高强度焊接钢板，它是一种低碳高强度合金钢，其中合金元素对钢的性能影响较大，其化学成分如表1所示。

表1 EH36钢化学成分[10]

选用尺寸为100 mm×100 mm×4 mm的EH36焊接试样，焊接方式采用埋弧自动焊（SAW），焊接电流406 A，焊接电压28 V，焊接速度545 mm/min，热源输入1.25 KJ/mm。激光冲击设备采用Nd：YAG激光器，试验所采用的主要参数：激光波长1064 nm，光斑尺寸为3 mm，重复频率1～5 Hz，脉宽和激光能量可调。激光光斑采用50%的搭接率，方向垂直于焊缝表面，依次冲击,冲击范围覆盖焊缝（WELD）、热影响区(HAZ)和部分母材（BM）的区域，如图1所示。

图1 激光冲击焊接试样

1.2 试验方法

在焊接试样上截取18 m×18 m激光冲击试样。对试样表面进行打磨和抛光，采用99.7%的无水酒精清洗后吹干，使用铝箔作为激光吸收层覆盖整个试样，激光冲击时用1～2 mm流动水帘作为约束层，脉冲能量分别选用6 J、9 J和12 J。光斑形状为直径3 mm的圆形光斑，采用光斑搭接形式进行LSP处理，依次冲击4次，为防止铝箔被灼伤破坏，2次LPS后更换铝箔。根据相关国家标准，对激光冲击前后以及改变激光冲击工艺参数后的焊接结构不同部位的力学性能如硬度、残余应力做相关测试。

2.试验结果与分析

2.1 焊接结构表面硬度

测试焊缝表面维氏硬度，采用的设备为HXD-1000TM型数字式显微硬度计，加载力大小为200 gf，压头在试样表面压出一个四方椎形的压痕，保持105 s后卸除载荷，测量压痕的对角线长度d以换算求出相应显微硬度值。测试位置选取焊缝中心、热影响区以及母材处，为减小误差每处分别取3个点，取其平均值。激光冲击搭接率选取50%，冲击次数为1次、2次和4次，试验参数和测试结果见表2。

表2 不同冲击参数下的EH36焊接结构显微硬度

从表2可以看出，冲击前后试样不同区域的显微硬度发生了显著的变化，试样在激光冲击前的焊缝和热影响区显微硬度数值约为230 HV，冲击过后焊缝和热影响区的硬度值分别达到最大值288.5 HV和270.2 HV，相对于未冲击的显微硬度分别增加了24%和17.5%。母材区域硬度值变化相对焊接区要小，从初始的187.1 HV增加到209.2 HV，增加了6.3%。

表2显示激光冲击次数和冲击能量对硬度产生了明显的影响，为了更直观地表达，利用曲线图展示了激光冲击次数和冲击能量对硬度产生的影响，如图2、图3所示。图2中描述了在6 J的激光能量下，单次冲击显微硬度增加了10 HV左右，2次冲击显微硬度提高了约7 HV，3次、4次冲击显微硬度的增加总量约为10 HV。显微硬度随冲击次数的增加而不断地增大，但增加的幅值变小。图3表明激光能量对硬度值的影响，从图中可以看出，能量增加的同时硬度值也不断地增加，但增加的幅值在降低，这是由于冲击过程晶粒细化和加工硬化的结果。在激光冲击焊接区域时，冲击区会产生明显的塑性变形，随着脉冲激光能量的增加和冲击次数的增加，材料塑性变形层表面晶粒发生破碎细化，材料硬度随亚晶粒尺寸的减小而增高。此外，由位错理论可知，由于冲击材料表面在塑性变形过程中位错发生运动，使得变形过程中的位错移动阻力增加并阻碍位错的进一步运动，从而引起加工硬化，致使硬度增加幅值在冲击次数和能量增加时变小。母材冲击效果相对于焊缝和热影响区不明显，主要与其组织和残余应力有关。

图2 冲击次数对硬度的影响

图3 冲击能量对硬度的影响

2.2 焊接结构残余应力

将激光冲击后的试样表面的铝箔去除，采用无水乙醇清洗试样表面。使用X-350A型X射线应力测定仪，测试方法采用侧倾固定Ψ法，交相关法定峰。图4为试样残余应力测试点与测试路径位置示意图，沿着试样的横向选取5个点，分别为焊缝区2个点，热影响区2个点，母材区1个点。

图4 冲击路径分布

图5 为不同冲击次数下，路径“path-1”上残余应力分布。从图中可以看出，冲击前焊接结构的表面横向残余应力都呈现为拉应力，且焊缝区和母材的的横向残余应力相对于热影响区的残余应力要大，这是由焊接过程中不均匀温度场造成的。冲击后焊缝处的残余应力值由初始的540 MPa变为-249 MPa，随着激光冲击次数的增加，残余压应力不断地增大，残余压应力的变化率不断减小，焊缝、热影响区以及母材的残余应力分布趋于均匀。

图6为不同激光脉冲能量单次冲击下对焊接结构的表面残余应力的影响，相比于6 J的脉冲能量，9 J的能量冲击下残余拉应力降低了92 MPa，12 J的能量冲击下残余拉应力相对10 J情况下降低了41 MPa，但总的说来增幅不是很大，幅值呈递减的趋势。

分析认为激光冲击焊缝表面产生残余应力的原因在于：冲击波引起工件表面材料不均匀的塑性变形，产生高密度的位错等晶体缺陷，在材料表层产生了残余应力。由于高应变率加载下材料发生绝热剪切滑移，产生应变硬化的作用，冲击次数越多硬化现象越明显，故随着冲击次数的增加，残余应力的变化率不断减小。图6中伴随着激光能量的增加，残余应力增幅越来越小，这是由于金属受这样高功率的激光照射时，在激光能量由6 J增加到12 J过程中，其冲击波峰值压力增加,表面残余应力也相应增加。但由于逆轫辐射效应（撞挤吸收）的增强，能量损失增大，因此，残余应力增大趋势就越来越小。

图5 不同冲击次数下沿路径“path-1”残余应力分布

图6 不同冲击能量下沿路径“path-1”残余应力分布

3.结论

本文研究了激光冲击强化对EH36焊接结构力学性能的影响，得到了以下主要结论：与未经过激光冲击处理的EH36焊接头相比,经过激光冲击强化处理后的接头,焊缝和热影响区的硬度值得到显著提高；冲击后，焊缝硬度和残余应力总体分布趋于均匀；由于焊缝表面位错密度增大，变形过程中的位错移动阻力增大，引起加工硬化，冲击次数越多硬化现象越明显，以及随着激光能量的增加由于逆轫辐射效应（撞挤吸收）的增强，能量损失增大，故随着冲击次数和能量的不断增加，硬度和残余应力的变化幅值在不断地减小。