改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝方法

改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝方法焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個(gè)部位，如果焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險(xiǎn)被抑制，焊接接頭的危險(xiǎn)點(diǎn)則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，①減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；②改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng)。這些改進(jìn)方法可以分為兩大類，如表1所示。焊接過程優(yōu)化方法不僅是針對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度而考慮，同時(shí)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此不多贅述。表1焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的改善方法焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的改善方焊接過程優(yōu)化局部幾何形狀質(zhì)量控制焊接缺欠的控制1幾何形狀的改善2工藝過程焊接順序3殘余應(yīng)力（＜0）焊趾冶金處理4焊道造型焊趾幾何形狀5冶金和金屬狀態(tài)6焊縫的改善機(jī)械加工焊趾研磨7水沖擊8局部幾何形狀局部重熔TIG熔修9等離子熔修10殘余應(yīng)力應(yīng)力釋放方法熱處理11力學(xué)處理12局部加熱13力學(xué)方法力學(xué)接觸噴丸14錘擊15超聲沖擊16焊接沖壓17局部壓縮18下面從工藝方法角度考慮分三部分詳細(xì)論述改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要方法。3.1改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法TIG熔修國(guó)內(nèi)外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡。減少了應(yīng)力集中，同時(shí)也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強(qiáng)度提高。熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5~處，并要保持重熔部位潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時(shí)，如何處理重新起弧的方法，因?yàn)檫@勢(shì)必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國(guó)際焊接學(xué)會(huì)組織歐洲一些國(guó)家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國(guó)焊接研究所制備的試樣進(jìn)行了一些改善接頭疲勞強(qiáng)度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實(shí)經(jīng)該方法處理后該接頭的2X106循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強(qiáng)度提高58%,如果將得到的211MPa的疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值(K指標(biāo))為144MPa。它己高出國(guó)際焊學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最高的FAT值。機(jī)械加工若對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高，當(dāng)焊縫不存在缺陷時(shí)，接頭的疲勞強(qiáng)度可高于基本金屬的疲勞強(qiáng)度。但是這種表面機(jī)械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴(yán)重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機(jī)械加工是毫無意義的。如果存有未焊透缺陷，因?yàn)槠诹鸭y將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機(jī)加工反而往往會(huì)降低接頭疲勞強(qiáng)度。有時(shí)不用對(duì)整體焊縫金屬進(jìn)行機(jī)加工，而只需對(duì)焊趾處采用機(jī)械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度。研究表明，在這種情況下，起裂點(diǎn)不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。前蘇聯(lián)Makorov對(duì)高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度。b=1080MPa)橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)表明，在焊態(tài)條件下2X106循環(huán)次數(shù)時(shí)疲勞強(qiáng)度為±150MPa,如果對(duì)焊縫進(jìn)行機(jī)械加工處理，除去余高，則疲勞強(qiáng)度提高到±275MPa,這已與基本金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)。但如果對(duì)焊趾處進(jìn)行局部磨削加工，其疲勞強(qiáng)度為±245MPa,它是機(jī)加工效果的83%,與焊態(tài)相比，疲勞強(qiáng)度提高65%,當(dāng)然不論是采用機(jī)加工方法，還是磨削方法，如果不能仔細(xì)按要求進(jìn)行，以便保證加工效果，疲勞強(qiáng)度的提高是有限的。砂輪打磨采用砂輪磨削，雖然其效果不如機(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。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦采用高速電力或水力驅(qū)動(dòng)的砂輪，轉(zhuǎn)速為(15000~40000)/min,砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)等于或大于1/4板厚。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2X106循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強(qiáng)度提高45%,如果將得到的199MPa疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值(135MPa)它也高于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最高的FAT值。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會(huì)留下與力線垂直的刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強(qiáng)度的作用。特種焊條方法本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可以改善焊縫的過渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。與TIG熔修的缺點(diǎn)相類似，它對(duì)焊接位置具有較強(qiáng)的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對(duì)于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。2調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法1）預(yù)過載法假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗(yàn)中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)（如橋梁、壓力容器等）投入運(yùn)行前需進(jìn)行一定的預(yù)過載試驗(yàn)，這對(duì)提高疲勞性能是有利的。局部加熱采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對(duì)提高接頭疲勞強(qiáng)度是有利的。這種方法目前限用于縱向非連續(xù)焊縫，或具有縱向加筋板的接頭。對(duì)于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的1/3,對(duì)于雙面角接板情況加熱位置為板件中心。這樣可以保證在焊縫內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而可以提高接頭的疲勞強(qiáng)度。不同研究者應(yīng)用該方法得到的效果有所不同，對(duì)單面角接板，提高疲勞強(qiáng)度145-150%，對(duì)雙面角接板，提高疲勞強(qiáng)度70-187%，。局部加熱位置對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度有重要的影響，當(dāng)點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部處兩則進(jìn)行時(shí)，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應(yīng)力，結(jié)果疲勞強(qiáng)度提高53%；但是當(dāng)點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部試樣中心進(jìn)行時(shí)，距焊縫端部距離是相同的，這雖然產(chǎn)生了同樣的金相組織影響，但由于殘余應(yīng)力為拉伸殘余應(yīng)力，則所測(cè)量到的接頭疲勞強(qiáng)度與非處理試樣相同。擠壓法局部擠壓機(jī)制與點(diǎn)狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應(yīng)力提高接頭疲勞強(qiáng)度。但是其作用點(diǎn)是不同的，擠壓位置應(yīng)位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。高強(qiáng)鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。6口「36^飛方法由于有時(shí)難以準(zhǔn)確地確定局部加熱法的加熱位置和加熱溫度，為了獲得滿意效果，Gunnert提出一種方法，該方法的要點(diǎn)是直接向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℃，然后急劇噴淋冷卻之。由于表層下金屬和其周圍未受噴淋的金屬冷卻的較晚，待其冷卻時(shí)收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。藉此壓縮應(yīng)力即可提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。需要注意的是：為了使底層亦達(dá)到加熱目的，加熱過程要緩慢些，Gunnert建議加熱時(shí)間為3min，而Harrison建議加熱時(shí)間為5min。Ohta采用此方法成功的防止了對(duì)接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。具體方法是管道外部采用感應(yīng)法加熱，里面用循環(huán)水冷卻。因此在管道內(nèi)部產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，因而有效地防止了疲勞裂紋在管道內(nèi)部產(chǎn)生。處理后對(duì)接焊縫管道的疲勞裂紋擴(kuò)展速率大為降低，達(dá)到與母材相同的裂紋擴(kuò)展速率。3降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼二有之的方法錘擊法錘擊法是冷加工方法，其作用是在接頭焊趾處表面造成壓縮應(yīng)力。因此，本方法的有效性與在焊趾表面產(chǎn)生的塑性變形有關(guān)；同時(shí)錘擊還可以減少存在的缺口尖銳度，因而減少了應(yīng)力集中，這也是大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度的原因。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的氣錘壓力應(yīng)為5?6Pa。錘頭頂部應(yīng)為8?12mm直徑的實(shí)體材料，推薦采用4次沖擊以保證錘擊深度達(dá)。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的工作表明，對(duì)于非承載T形接頭，錘擊后其2X106循環(huán)下接頭疲勞強(qiáng)度提高54%。噴丸噴丸是錘擊的另一種形式，也屬?zèng)_擊加