改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝方法

1、,改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝方法綜述史春元大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2005年6月,大連交通大學(xué),① 焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂于位置：焊根和焊趾② 提高接頭疲勞強(qiáng)度的途徑：● 設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)及接頭形式●改善焊趾部位的幾何形狀，降低應(yīng)力集中系數(shù)●消除或減少焊接缺欠，特別是開口缺陷●調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，形成殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng),焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的改善方法,目 錄,1.合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式2.合理選擇接頭形式3.改善焊趾

2、幾何形狀，降低應(yīng)力集中 電弧熔修 機(jī)械加工 砂輪打磨 補(bǔ)償焊接4.調(diào)整焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力 預(yù)過載法 擠壓法 局部加熱法 GURNNERT’S法 振動(dòng)時(shí)效法5.降低應(yīng)力集中的同時(shí)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力 錘擊法 噴丸法6.提高接頭疲勞強(qiáng)度的最新方法 超聲沖擊法 低相變點(diǎn)焊條法 表面納米化法 爆炸沖擊法,1.合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式,圖1 板梁的合理與不合理設(shè)計(jì),圖

3、2 翼板的合理與不合理設(shè)計(jì)a）改變蓋板寬度 b）改變蓋板厚度,圖3 工字梁的加筋設(shè)計(jì)a）加筋形狀突然改變 b）加筋形狀有所改進(jìn)但仍不合理 c）良好設(shè)計(jì),2.合理選擇接頭形式,基本原則：● 盡量減少焊縫的數(shù)量且避免交叉焊縫● 盡量采用連續(xù)焊縫，少用斷續(xù)焊縫，其端部造成應(yīng)力集中● 設(shè)計(jì)中盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的對(duì)接接頭● 角焊縫疲勞強(qiáng)度低，設(shè)計(jì)中盡量采用不承載角焊縫● 承載角焊縫盡量采用開坡口

4、焊接并焊透● 保證基本金屬與焊縫之間的平滑過渡,3.改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法,3.1 TIG熔修 用TIG焊在接頭過渡區(qū)進(jìn)行重熔，使焊縫與母材之間形成平滑過渡，降低應(yīng)力集中，并減少該部位的微小非金屬夾渣物。 TIG熔修可使承載焊縫的疲勞強(qiáng)度提高25~75%，非承載焊縫的疲勞強(qiáng)度提高95~250%。,表1 IIW推薦的重熔工藝,● TIG重熔位置：焊槍一般位于焊趾部位0.5~1.5mm處，

5、并保持重熔部位潔凈。,圖5 TIG熔修位置,● TIG重熔重新起弧位置：在重熔過程中發(fā)生熄弧時(shí)，一般推薦在焊道弧坑之 前的6mm處重新起弧。,圖6 TIG熔修重新起弧技巧,表2 TIG電弧熔修后焊接接頭疲勞強(qiáng)度提高的效果,圖7 ST52-3鋼T型接頭三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果,3.2 機(jī)械加工 對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，可大大降低應(yīng)力集中程度，使無缺陷焊縫的焊接接頭疲勞強(qiáng)度達(dá)到甚至高于母材的疲勞

6、強(qiáng)度。,● 機(jī)械加工成本高，真正需要并能加工到的部位才使用● 存在未焊透等缺陷時(shí)，疲勞裂紋轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透等缺陷處，機(jī)加工反而會(huì)降低 接頭的疲勞強(qiáng)度,3.3 砂輪打磨 砂輪打磨效果不如機(jī)械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的有效方法。IIW推薦采用高速電力或水力驅(qū)動(dòng)的碳-鎢砂輪，轉(zhuǎn)速15000~40000r/min，砂輪直徑應(yīng)保證打磨深度半徑等于或大于1/4板厚。砂輪打磨可使接頭疲勞強(qiáng)度提高45%以上

7、。,圖8 IIW推薦的砂輪打磨方法,● 磨削方向應(yīng)沿著載荷的傳遞方向，否則會(huì)引起與力線方向垂直的劃痕而成為應(yīng)力集中源。,圖9 焊趾打磨深度,● 打磨深度應(yīng)保證除去焊趾處缺陷,正確,不正確,圖10 用砂輪或磨盤將帶有橫向加強(qiáng)板低碳鋼接頭的焊縫焊趾磨成凹形輪廓后的疲勞試驗(yàn)結(jié)果,△ ▲— 焊縫全部用砂輪磨光●— 焊趾處用磨盤磨光,焊態(tài)試件,3.4 補(bǔ)償焊接法 采用一種特殊焊條，其熔敷金屬具有高的流動(dòng)性，可以改

8、善焊縫的過渡半徑，獲得形狀光滑的焊縫，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高接頭的疲勞強(qiáng)度。,● 對(duì)焊接位置具有較強(qiáng)的選擇性， 適于平焊位和平角焊。,圖11 補(bǔ)償焊接法示意圖,4.1 預(yù)過載法 對(duì)焊接結(jié)構(gòu)及接頭施加拉伸載荷，使殘余應(yīng)力集中的部位發(fā)生屈服，卸載后該部位及其附近發(fā)生塑性變形的區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而結(jié)構(gòu)及接頭其它部位形成低于屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力。受此處理的焊接結(jié)構(gòu)可提高疲勞強(qiáng)度。,4.調(diào)整焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)

9、產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法,圖12 預(yù)過載對(duì)非承載角焊縫疲勞強(qiáng)度的影響,R = 0,,S0 — 焊態(tài)下疲勞強(qiáng)度S1 — 預(yù)過載應(yīng)力S2 — 預(yù)過載后疲勞強(qiáng)度,表3 不同預(yù)加載對(duì)提高疲勞強(qiáng)度的影響,4.2 擠壓法 對(duì)接頭進(jìn)行局部擠壓可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，使應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高接頭疲勞強(qiáng)度。,圖13 橫向角焊縫的正確擠壓位置,● 擠壓位置：位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。,圖14 擠壓對(duì)不同材質(zhì)提高疲

10、勞強(qiáng)度的作用,△— 高強(qiáng)鋼▲— 低碳鋼（擠壓直徑44mm）●—低碳鋼（擠壓直徑19mm）,●高強(qiáng)鋼強(qiáng)化效果比低碳鋼顯著,4.3 局部加熱法 與擠壓法相似，通過對(duì)接頭缺口附近部位進(jìn)行局部加熱來調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，使應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高接頭疲勞強(qiáng)度。,圖15 點(diǎn)狀局部加熱位置及其效果,● 單面角接板：點(diǎn)狀加熱位置距離焊縫約為板寬的1/3處，疲勞強(qiáng)度可提高145~150%；● 雙面角接板：點(diǎn)狀加熱位置

11、為板件中心，疲勞強(qiáng)度可提高70~187%。,圖16 點(diǎn)狀局部加熱位置及其應(yīng)力分布,表4 2×106循環(huán)次數(shù)下局部加熱的效應(yīng)（疲勞強(qiáng)度MPa）,圖17 點(diǎn)狀加熱位置對(duì)提高疲勞強(qiáng)度的影響,△ a）— 在不正確位置加熱▲ b）— 在不正確位置加熱,△,△,,,拉伸殘余應(yīng)力,壓縮殘余應(yīng)力,提高53%,4.4 Gurnnert’s法 局部加熱法很難準(zhǔn)確確定加熱位置和加熱溫度，Gurnnert提出此

12、方法，其要點(diǎn)是直接在缺口部位而不是附近部位加熱到能產(chǎn)生塑性變形但低于相變溫度55℃的溫度或550℃，然后噴淋冷卻使表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。,圖18 Ohta對(duì)接管道的疲勞裂紋擴(kuò)展速率,● 焊接管道外壁感應(yīng)加熱，內(nèi)壁循環(huán)水冷卻；● 管道內(nèi)部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，有效防止對(duì)接管道 內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋；● 處理后達(dá)到與母材相同的裂紋擴(kuò)展速率。,4.5 振動(dòng)時(shí)效法 采用合適的動(dòng)應(yīng)力對(duì)接頭進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，利用

13、其對(duì)殘余應(yīng)力有效的調(diào)整和均勻化作用，且改變晶體中位錯(cuò)組態(tài)和位錯(cuò)密度，形成高密度位錯(cuò)的塞積和纏結(jié)，延緩疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高疲勞壽命。,圖19 Q235鋼雙面焊接試板形狀尺寸及振動(dòng)時(shí)效前后的加速度—頻率曲線,● 垂直于焊縫的橫向試樣● 縱向的焊縫金屬試樣● 沿近縫區(qū)的母材試樣,表5 振動(dòng)時(shí)效前后焊接接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果： 振動(dòng)時(shí)效處理后焊接試件的疲勞壽命提高，橫向試件提高43.2%，

14、 焊縫試樣提高53%，近縫區(qū)母材提高21.1%。,5.1 錘擊法 錘擊法屬于冷加工方法，其作用是在接頭焊趾處表面造成壓縮應(yīng)力，并減小缺口尖銳度，降低應(yīng)力集中，從而提高疲勞強(qiáng)度。非承載T型接頭錘擊后2×106循環(huán)下疲勞強(qiáng)度提高54%。,5.降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的復(fù)合方法,圖20 錘擊時(shí)錘頭的方位,,IIW推薦：● 錘頭頂部直徑：8~12mm● 氣錘壓力：5~6 Pa● 錘擊深度：采用4次沖擊以保

15、證錘擊深度0.6mm,表6 16Mn鋼對(duì)接接頭四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果（置信度95%）,表7 16Mn鋼對(duì)接接頭拉-拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果（置信度95%）,158 %186 %,136 %157 %,圖23 16Mn鋼對(duì)接試件的疲勞曲線,a）彎曲疲勞,b）拉-拉疲勞,5.2 噴丸法 噴丸是錘擊的另一種形式，也屬冷加工方法。噴丸處理一般在幾微米深的表層內(nèi)形成壓縮應(yīng)力，提高接頭疲勞強(qiáng)度。噴丸效果主要依賴于噴丸直徑：噴

16、丸直徑過大，難以處理微小缺陷；噴丸直徑過小，不能產(chǎn)生冷作硬化作用。,圖21 噴丸法用于高強(qiáng)鋼接頭時(shí)的有效性,,,● 噴丸顯著提高高強(qiáng)鋼接頭疲勞強(qiáng)度,●TIG熔修配以噴丸處理效果更為顯著,圖22 噴丸硬化對(duì)不承載橫向角焊縫接頭疲勞強(qiáng)度的影響,●高壽命區(qū)效果更好,圖24 帶有不承載橫向角焊縫的低碳鋼試件改善方法的比較,幾種改善疲勞強(qiáng)度方法的比較,圖25 帶有不承載縱向角焊縫的低碳鋼試件改善方法的比較,6.提高接頭疲勞強(qiáng)

17、度的最新方法,6.1 超聲沖擊法 超聲沖擊法提高接頭疲勞強(qiáng)度的機(jī)理與錘擊和噴丸法相同，即通過在焊趾表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力來提高疲勞強(qiáng)度。該方法適用于各種接頭形式。接頭經(jīng)過超聲沖擊處理后，疲勞強(qiáng)度可提高50%~170%。,表8 超聲沖擊處理前后的疲勞強(qiáng)度對(duì)比,6.2 低相變點(diǎn)焊條法 低相變點(diǎn)焊條（Low Transformation Temperature Welding Electrode, LTTE）法是

18、利用焊縫熔敷金屬在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變體積膨脹，使焊縫的焊趾處產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力而提高接頭疲勞強(qiáng)度的方法。,圖26 用低相變點(diǎn)焊條施焊對(duì)提高接頭疲勞強(qiáng)度的效果,表9 不同類型焊接接頭疲勞強(qiáng)度的改善效果,,6.3 表面納米化法 利用高能噴丸技術(shù)在焊縫的焊趾表面形成納米層來改善接頭疲勞強(qiáng)度的方法。該方法提高疲勞抗力的機(jī)理及工藝仍在實(shí)驗(yàn)室研究階段。,6.4 爆炸沖擊法 爆炸沖擊波處理法是通過在焊縫

19、附近粘貼特制的條狀塑性橡膠炸藥在鋼板表面的掠過爆轟，利用爆炸沖擊波的能量使金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形而消除焊接殘余應(yīng)力并形成殘余壓縮應(yīng)力，來提高接頭疲勞強(qiáng)度的方法。 在爆炸過程中，金屬產(chǎn)生的塑性變形量為： εp = εe + C式中， εe —— 焊接殘余應(yīng)力誘導(dǎo)的殘余彈性應(yīng)變， εe =σr / E C —— 爆炸沖擊波誘導(dǎo)金屬產(chǎn)生的伸長(zhǎng)塑性變形

20、● C = 0，中性爆炸，爆炸結(jié)果：初始彈性應(yīng)變?nèi)哭D(zhuǎn)變成塑性應(yīng)變，焊接殘余應(yīng)力消除；● C＞0，硬性爆炸，爆炸結(jié)果：在爆炸區(qū)形成一定數(shù)值的殘余壓縮應(yīng)力；● C 與εe 異號(hào)，軟性爆炸，爆炸結(jié)果：爆炸區(qū)仍存有一定數(shù)值的焊接殘余應(yīng)力。,圖27 爆炸消除焊接殘余應(yīng)力專用炸藥,● 截面形狀為矩形，呈條狀● 可粘貼● 中等爆速,圖28 等待爆炸的16Mn鋼拘束對(duì)接試板,圖29 16Mn鋼焊接試板爆炸處理前后的表面殘余應(yīng)力分

21、布,圖30 16Mn鋼焊接試板爆炸處理前后沿厚度方向的殘余應(yīng)力分布,圖31 爆炸處理對(duì)16Mn3鋼焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響,● 各條曲線表示疲勞試件距布藥的距離；● 曲線1處于最強(qiáng)的塑性作用區(qū)；● 曲線4處于較弱的彈性作用區(qū)。,圖32 爆炸處理對(duì)16Mn3鋼焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響,● 各條曲線表示距布藥的距離；● 曲線1處于最強(qiáng)的塑性作用區(qū)；● 曲線4處于較弱的彈性作用區(qū)。,圖33 ST52-3鋼十字接頭消