摘要
高压水射流作为一种绿色经济的新型表面强化技术，利用纯水喷射到金属材料表面，使材料表面产生一定的塑性变形，改善表层微观组织结构，同时在材料表面形成压缩残余应力层，进而提高材料的疲劳寿命。焊接接头作为焊接构件的薄弱部位，焊接残余应力集中，易发生疲劳失效。本文以304不锈钢焊接接头为研究对象，分析不同水射流工艺对焊接接头微观结构、硬度、拉伸力学性能、残余应力及疲劳性能的影响，为高压水射流冲击强化焊接接头工艺提供理论基础和支持。主要研究内容及结论包括： （1）通过试验研究不同射流压力、喷嘴移动速度、冲击靶距对304不锈钢焊接接头表面形貌、微观结构、硬度、拉伸力学性能以及残余应力的影响。经高压水射流冲击后，焊接接头表面晶粒明显细化，表层硬度值显著提高，表面最大硬度较未处理提高了约38.9%，硬化层最深约600μm，焊接接头屈服强度和抗拉强度都有所提高，屈服强度和抗拉强度较未处理最大提高了12.5%和5.4%，焊缝表面横向与纵向最大残余压应力值约为164MPa和146MPa。从微观组织、力学性能及残余应力的角度，得出一组较为理想的工艺参数：射流压力为200MPa，喷嘴移动速度为5mm/s，靶距为7.5cm。 （2）基于三维热力顺次耦合有限元法，并编写高压水射流冲击载荷移动子程序，实现了高压水射流降低焊接残余应力的有限元模拟，分别得到了平板对焊温度场、焊接残余应力场和水射流冲击后的残余应力场分布。模拟得到的高压水射流冲击前后残余应力分布与试验测试结果一致，水射流冲击处理能够明显改善焊缝处的残余应力分布，模拟100MPa水射流冲击作用下，焊缝表面的横向残余应力和纵向残余应力最大降幅分别达到了137.5%和115.3%。 （3）基于较优的高压水射流工艺，对母材试样、焊接接头试样、水射流冲击作用后的焊态试样进行疲劳试验，并探究了高压水射流喷丸处理对焊接接头疲劳寿命及断裂机制的影响。发现，经过水射流冲击处理，焊接接头的疲劳性能够得到提升，疲劳幅值为400MPa时，水射流冲击态试样疲劳寿命提高了13.45%；疲劳幅值为440MPa时，疲劳寿命提高了32.43%；疲劳循环次数为2×104时，水射流冲击态试样疲劳强度提高了6.06%。三组试样疲劳断裂机制相似，水射流冲击态试样表面形成的变形层，在一定程度上抑制了裂纹的萌生和扩展，起到了延长试样疲劳寿命的作用。
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