针对不锈钢焊接接头存在残余应力且分布不均匀、容易发生应力腐蚀的问题，采用激光冲击强化对其进行处理，探究激光功率密度和冲击次数对表面残余应力状态的优化作用，并通过应力腐蚀试验验证优化效果。结果表明：随着功率密度增加，表面残余应力明显下降，但下降幅度逐渐减小，功率密度４．２４ＧＷ／ｃｍ２与２．８３ＧＷ／ｃｍ２冲击产生的残余应力相差不大，熔合区还存在残余拉应力，说明高功率密度不足以消除表面残余拉应力；随着冲击次数增加，残余拉应力显著降低，２．８３ＧＷ／ｃｍ２冲击３次之后，残余拉应力完全消除，局部最高应力梯度从５４．７ＭＰａ／ｍｍ下降到１１．７ＭＰａ／ｍｍ，获得了高数值、分布均匀的残余压应力层。激光冲击强化后，焊接试样的应力腐蚀断裂时间提高了３３．４８％，激光冲击强化产生的残余压应力是其应力腐蚀抗性提高的重要原因。

不锈钢材料以其良好的塑性与韧性，特别是其优良的抗腐蚀性能，广泛应用在石油、化工、原子能以及宇宙宇航等工业领域。由于不锈钢管在使用中经常接触腐蚀介质，因而常常引发腐蚀失效问题，甚至造成严重事故。据统计，应力腐蚀开裂是不锈钢管最突出的破坏形式，占整个不锈钢腐蚀破坏事故的４０％～６０％。

而应力腐蚀发生的条件是：必须存在拉应力以及腐蚀介质。不锈钢管在焊接过程中，由于局部的快冷快热，以及热影响区的不均匀收缩，因而焊接接头容易产生焊接残余应力以及焊接残余变形。焊接残余拉应力的存在，为应力腐蚀开裂创造了必要的条件。消除焊接接头的残余拉应力是提高不锈钢应力腐蚀性能的有效途径，对于拓宽其应用范围具有重要意义。常用的残余应力消除方法有机械拉伸法、整体高温回火处理、温差拉伸法、爆炸法、喷丸处理等。

激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，冲击后使材料表层获得残余压应力以及较高的位错密度，从而提高材料的结构疲劳特性、耐磨性以及应力腐蚀性能。美国和日本的研究表明，激光冲击强化处理对金属材料的应力腐蚀性能有明显的改善效果，并且已经将该技术用于核工业压力容器焊缝的强化处理，取得了显著的效果。国内，南京工业大学彭薇薇、凌祥和江苏大学宁吉平先后研究了激光冲击光斑搭接率对不锈钢焊接接头应力腐蚀性能的影响，初步分析了激光冲击产生的残余压应力对焊接接头应力腐蚀抗性的提高作用，但未对残余应力状态进行优化研究，以获得更好的强化效果。

本文主要讨论激光冲击强化对不锈钢焊接接头残余应力状态的优化改善作用，并通过应力腐蚀试验验证优化效果。

１试验材料与方法

１．１激光冲击诱导残余应力原理

激光冲击强化（ＬＳＰ）是采用高功率密度（＞１０９Ｗ／ｃｍ２）、短脉冲（１０９ｓ－１级）的激光辐照金属表面，使金属表面的吸收保护层（一般为黑漆或铝箔）吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，产生高温（＞１０４Ｋ）、高压（＞１ＧＰａ）的等离子体，如图１所示。该等离子体受到表面约束层（一般为水）的约束作用，形成高压冲击波（ＧＰａ量级），冲击波挤压材料表面，并向材料内部传播，沿着冲击波传播方向上，冲击区表层产生纯单轴压缩，同时在平行于表面的平面内使冲击区表层发生伸长，产生拉伸应力。当激光脉冲消失后，冲击区域的材料发生塑性应变，但因受到周围材料的约束反作用，便在冲击区的表层中产生残余压应力。

1.2试验材料与试样制备

试验所用母材为厚度2.5 mm的316奥氏体不锈钢板材,考虑到焊接材料的耐腐蚀性,以及与基体材料的结合性,提高焊接质量,焊缝材料选用316L不锈钢,材料的化学成分(质量分数)如表1所示。

为了尽可能地避免焊接缺陷,在焊接前对试件进行打磨去污、清洗吹干等处理。焊接设备采用NSA-300型直流手工钨极氩弧焊机,利用惰性气体作保护气体,通过钨极与焊件之间产生的电弧加热和熔化焊件及填充金属,形成焊接接头。按照图3所示形状及尺寸制备试验所需的应力腐蚀试样,其中的圆孔是为了方便夹具夹持。图中阴影部分为焊缝区,虚线方框区域表示激光冲击强化区。激光冲击强化试验选用型号为SGR-25的Nd:YAG激光冲击强化设备,冲击路径为垂直于焊缝方向冲击。为了减少应力腐蚀薄弱区,对试样四周分别进行了强化。具体冲击工艺参数见表2,其中吸收保护层采用胶带,约束层为水。

激光等离子体冲击波压力与强化效果有着直接关系,而根据Fabbro关系的经验压力模型可知,影响激光冲击压力的激光参数可综合为激光功率密度。根据激光冲击参数(激光能量、能量密度、脉冲宽度等)估算公式,计算得到316奥氏体不锈钢焊接试样激光冲击强化的功率密度范围约为0.92~11.3 GW/cm 2。

1.3试验方法

影响激光冲击强化效果的主要因素是激光功率密度和冲击次数。为了探求冲击参数对材料表面应力场的影响,分别采用不同的激光功率密度和冲击次数处理试样,通过表面残余应力及其分布测试,分析冲击参数对Fig.4 Pointsdistributionofresidualstresstest图4残余应力测试点分布图材料表面应力场的优化作用。残余应力测试采用X射线衍射法,使用X-350A型X射线应力分析仪进行。其中衍射晶面为{220}晶面,应力常数为-601 MPa,扫描2θ角范围138°~121°,扫描步距为0.10 s-1,计数时间为0.5 s。本文采用平均应力的观点,通过测试点的残余应力特征,近似表示表面残余应力及其分布特征,并对比分析激光冲击强化处理对试件应力状态的影响。测试点的分布如图4所示,为了减小测量误差,每个点测试四次,取平均值作为该点的残余应力值。

2试验结果与分析

2.1激光功率密度的影响

根据估算得到的激光功率密度范围,取激光功率密度为1.41,2.83,4.24 GW/cm 2,分别对焊接试样进行冲击强化。图5是残余应力测试结果。可以看出,焊接试样焊缝及热影响区均存在较大的残余拉应力,从焊缝中心到基体的方向上,残余拉应力先增大再减小。其中以熔合区最大,达到约330 MPa。这是因为焊接过程中熔合区冷热变化最为剧烈,且是基体材料与焊缝接合处,材料结构组织变化最大,故形成的残余拉应力相对较大。激光冲击强化后,焊接接头残余拉应力有明显的下降,且随着激光功率密度增加,表面残余拉应力越来越小,但下降的幅度则逐渐减小。功率密度2.83 GW/cm 2和4.24GW/cm 2冲击后,残余应力相差不多。随着功率密度增大,残余应力的性质也发生了变化,以功率密度2.83 GW/cm 2冲击后,焊缝区和部分热影响区都产生了残余压应力,但熔合区的残余应力还是正值,功率密度4.24 GW/cm 2冲击后也未有明显下降。说明在高功率密度4.24 GW/cm 2作用下还不足以完全消除残余拉应力。这是因为激光脉冲功率密度越高,激光诱导的冲击波峰值压力超过材料动态屈服强度的幅值越大,表面变形也就越大,因此产生的表面残余压应力也越大。但当激光功率密度大于某一值时,将在约束层中产生等离子体,并导致等离子体的电离雪崩,致使约束层绝缘击穿。这种绝缘击穿效应使穿过约束层的激光能量减少,限制了冲击波峰值压力的增加。因此达到一定功率密度之后,残余压应力并不随激光功率密度的增加而增加。

2.2激光冲击次数的影响

考虑到功率密度2.83 GW/cm 2和4.24 GW/cm 2两次冲击后产生的残余应力值相差不大,所以选取激光功率密度2.83 GW/cm 2,分别对焊接试样进行1,2,3次冲击强化,探究冲击次数对表面残余应力的影响。图6是不同次数冲击之后的残余应力分布图。随着冲击次数增加,残余拉应力越来越小,并且逐渐转化成了残余压应力。冲击次数越多,残余压应力越大。经过3次冲击后,整个焊接接头表面的残余拉应力完全消除,形成了高于150 MPa的残余压应力层,且局部最高应力梯度从54.7MPa/mm减小至11.7 MPa/mm。熔合区是温度与组织变化最为剧烈的区域,晶粒相对粗大。激光冲击具有细化晶粒的作用,冲击次数越多,细化程度越高,与基体组织更为接近。故3次冲击之后,组织均匀程度提高,应力梯度也相应减小。

多次冲击可以增大表面残余压应力,并且优化表面残余压应力分布。但激光冲击会使材料表面发生硬化现象,增大材料的动态屈服强度,从而使材料的塑性变形更加困难。因此残余压应力不会随着冲击次数增加而一直增大。此外,冲击次数过多,会使材料表面形变过大,并增加表面粗糙度。以功率密度2.83 GW/cm 2冲击3次之后,残余压应力分布已经变得较为均匀,应力梯度明显减小,取得了较为理想的强化效果。

2.3强化效果对比

采用同样的冲击参数(功率密度2.83 GW/cm 2,冲击3次)对不锈钢光板试样进行冲击,以对比分析激光冲击强化对焊接接头表面残余应力状态的优化效果。图7为焊接试样、光板试样和强化试样的残余应力分布图。由图可见,冲击之后光板试样表面获得了约100MPa的残余压应力,且分布均匀,没有明显的变化。焊接试样在强化之后,应力分布得到显著改善,除了焊缝区与热影响区有较小的应力梯度外,整体上与光板试样的基本一致,而且获得了比光板试样更大的残余压应力。激光冲击强化对焊接接头的残余应力状态起到了良好的优化效果。

2.4应力腐蚀试验

应力腐蚀是在拉应力和腐蚀介质的共同作用下发生的,残余拉应力状态的改变会对焊接接头的应力腐蚀性能造成影响。根据得到的优化参数(功率密度2.83GW/cm 2、冲击3次)冲击焊接试样,得到强化试样,在90℃恒温条件下的FeCl 3腐蚀液中进行恒应力拉伸应力腐蚀试验。试验分两组进行,强化试样和焊接试样每组各两个。图8为应力腐蚀表面形貌图,可以看出,焊接试样的腐蚀速率明显比强化试样的快,相同的时间里,相比于焊接试样,强化试样的腐蚀轻微得多。如腐蚀108 h后,焊接件的腐蚀已经深入材料内部,而强化件表面只出现一个腐蚀点坑。试样的腐蚀断裂时间如表3所示。其中,强化试样的平均腐蚀断裂时间为149.5 h,焊接试样的平均腐蚀断裂时间为112 h,强化试样的应力腐蚀断裂时间比焊接试样提高了33.48%。表面应力状态的优化显著提高了焊接接头的应力腐蚀性能。

根据应力腐蚀表面膜破裂机理,在一定的受力情况下,金属表面钝化膜会发生破裂,使基体金属与腐蚀介质相接触,产生快速阳极溶解,形成应力腐蚀。焊接过程在材料内部形成了残余拉应力,在与拉伸载荷的叠加作用下,表面钝化膜容易破裂,同时拉应力对滑移阶梯有张开作用,腐蚀更容易深入金属内部,从而加快腐蚀速率。激光冲击处理消除了焊接接头表面残余拉应力,并且产生数百MPa的残余压应力。残余压应力对拉伸载荷具有显著的抵消作用,因而对试样表面钝化膜的破裂起了明显的延缓作用,腐蚀点坑不易形成,从而提高应力腐蚀抗力。

3结论

本文研究了激光冲击对不锈钢焊接接头残余应力场的影响,得到以下结论:

(1)激光功率密度增加,不锈钢焊接接头表面残余拉应力有明显下降,但下降幅度逐渐减小,功率密度2.83 GW/cm 2与4.24 GW/cm 2冲击产生的残余应力相差不大,由于约束层绝缘击穿效应,高功率密度不能完全消除焊接残余拉应力;以功率密度2.83 GW/cm 2冲击3次之后,表面残余拉应力全部得到消除,且形成上百MPa的残余压应力,局部最高应力梯度从54.7 MPa/mm减小至11.7 MPa/mm,不锈钢焊接接头的表面残余应力得到了有效优化。

(2)采用优化参数(功率密度2.83 GW/cm 2、冲击3次)强化之后,焊接试样的应力腐蚀断裂时间从112 h上升到149.5 h,提高了33.48%,激光冲击强化形成的残余压应力对拉伸载荷的抵消作用,是提高焊接试样应力腐蚀性能的重要原因。