改善焊接結構疲勞強度的工藝方法

1、,改善焊接結構疲勞強度的工藝方法綜述史春元大連交通大學材料科學與工程學院2005年6月,大連交通大學,① 焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂于位置：焊根和焊趾② 提高接頭疲勞強度的途徑：● 設計合理的結構及接頭形式●改善焊趾部位的幾何形狀，降低應力集中系數●消除或減少焊接缺欠，特別是開口缺陷●調節(jié)焊接殘余應力場，形成殘余壓縮應力場,焊接結構疲勞強度的改善方法,目 錄,1.合理設計結構形式2.合理選擇接頭形式3.改善焊趾

2、幾何形狀，降低應力集中 電弧熔修 機械加工 砂輪打磨 補償焊接4.調整焊接殘余應力場，產生壓縮應力 預過載法 擠壓法 局部加熱法 GURNNERT’S法 振動時效法5.降低應力集中的同時產生壓縮應力 錘擊法 噴丸法6.提高接頭疲勞強度的最新方法 超聲沖擊法 低相變點焊條法 表面納米化法 爆炸沖擊法,1.合理設計結構形式,圖1 板梁的合理與不合理設計,圖

3、2 翼板的合理與不合理設計a）改變蓋板寬度 b）改變蓋板厚度,圖3 工字梁的加筋設計a）加筋形狀突然改變 b）加筋形狀有所改進但仍不合理 c）良好設計,2.合理選擇接頭形式,基本原則：● 盡量減少焊縫的數量且避免交叉焊縫● 盡量采用連續(xù)焊縫，少用斷續(xù)焊縫，其端部造成應力集中● 設計中盡量采用應力集中系數小的對接接頭● 角焊縫疲勞強度低，設計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力集中的方法,3.1 TIG熔修 用TIG焊在接頭過渡區(qū)進行重熔，使焊縫與母材之間形成平滑過渡，降低應力集中，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度提高25~75%，非承載焊縫的疲勞強度提高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，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度提高的效果,圖7 ST52-3鋼T型接頭三點彎曲疲勞試驗結果,3.2 機械加工 對焊縫表面進行機械加工，可大大降低應力集中程度，使無缺陷焊縫的焊接接頭疲勞強度達到甚至高于母材的疲勞

6、強度。,● 機械加工成本高，真正需要并能加工到的部位才使用● 存在未焊透等缺陷時，疲勞裂紋轉移到焊縫根部未焊透等缺陷處，機加工反而會降低 接頭的疲勞強度,3.3 砂輪打磨 砂輪打磨效果不如機械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強度的有效方法。IIW推薦采用高速電力或水力驅動的碳-鎢砂輪，轉速15000~40000r/min，砂輪直徑應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度提高45%以上

7、。,圖8 IIW推薦的砂輪打磨方法,● 磨削方向應沿著載荷的傳遞方向，否則會引起與力線方向垂直的劃痕而成為應力集中源。,圖9 焊趾打磨深度,● 打磨深度應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板低碳鋼接頭的焊縫焊趾磨成凹形輪廓后的疲勞試驗結果,△ ▲— 焊縫全部用砂輪磨光●— 焊趾處用磨盤磨光,焊態(tài)試件,3.4 補償焊接法 采用一種特殊焊條，其熔敷金屬具有高的流動性，可以改

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

9、產生壓縮應力的方法,圖12 預過載對非承載角焊縫疲勞強度的影響,R = 0,,S0 — 焊態(tài)下疲勞強度S1 — 預過載應力S2 — 預過載后疲勞強度,表3 不同預加載對提高疲勞強度的影響,4.2 擠壓法 對接頭進行局部擠壓可以調節(jié)焊接殘余應力場，使應力集中處產生壓縮殘余應力，從而提高接頭疲勞強度。,圖13 橫向角焊縫的正確擠壓位置,● 擠壓位置：位于需要產生殘余壓縮應力的位置。,圖14 擠壓對不同材質提高疲

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

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

12、方法，其要點是直接在缺口部位而不是附近部位加熱到能產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生壓縮應力，提高疲勞強度。,圖18 Ohta對接管道的疲勞裂紋擴展速率,● 焊接管道外壁感應加熱，內壁循環(huán)水冷卻；● 管道內部產生壓縮應力，有效防止對接管道 內部產生疲勞裂紋；● 處理后達到與母材相同的裂紋擴展速率。,4.5 振動時效法 采用合適的動應力對接頭進行振動時效處理，利用

13、其對殘余應力有效的調整和均勻化作用，且改變晶體中位錯組態(tài)和位錯密度，形成高密度位錯的塞積和纏結，延緩疲勞裂紋的萌生和擴展，提高疲勞壽命。,圖19 Q235鋼雙面焊接試板形狀尺寸及振動時效前后的加速度—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 振動時效前后焊接接頭疲勞試驗結果,結果： 振動時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力，并減小缺口尖銳度，降低應力集中，從而提高疲勞強度。非承載T型接頭錘擊后2×106循環(huán)下疲勞強度提高54%。,5.降低應力集中和產生壓縮應力的復合方法,圖20 錘擊時錘頭的方位,,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鋼對接接頭四點彎曲疲勞試驗結果（置信度95%）,表7 16Mn鋼對接接頭拉-拉疲勞試驗結果（置信度95%）,158 %186 %,136 %157 %,圖23 16Mn鋼對接試件的疲勞曲線,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形成壓縮應力，提高接頭疲勞強度。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，不能產生冷作硬化作用。,圖21 噴丸法用于高強鋼接頭時的有效性,,,● 噴丸顯著提高高強鋼接頭疲勞強度,●TIG熔修配以噴丸處理效果更為顯著,圖22 噴丸硬化對不承載橫向角焊縫接頭疲勞強度的影響,●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

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度的機理與錘擊和噴丸法相同，即通過在焊趾表面產生壓縮應力來提高疲勞強度。該方法適用于各種接頭形式。接頭經過超聲沖擊處理后，疲勞強度可提高50%~170%。,表8 超聲沖擊處理前后的疲勞強度對比,6.2 低相變點焊條法 低相變點焊條（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，使焊縫的焊趾處產生殘余壓縮應力而提高接頭疲勞強度的方法。,圖26 用低相變點焊條施焊對提高接頭疲勞強度的效果,表9 不同類型焊接接頭疲勞強度的改善效果,,6.3 表面納米化法 利用高能噴丸技術在焊縫的焊趾表面形成納米層來改善接頭疲勞強度的方法。該方法提高疲勞抗力的機理及工藝仍在實驗室研究階段。,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生壓縮塑性變形而消除焊接殘余應力并形成殘余壓縮應力，來提高接頭疲勞強度的方法。 在爆炸過程中，金屬產生的塑性變形量為： εp = εe + C式中， εe —— 焊接殘余應力誘導的殘余彈性應變， εe =σr / E C —— 爆炸沖擊波誘導金屬產生的伸長塑性變形

20、● C = 0，中性爆炸，爆炸結果：初始彈性應變全部轉變成塑性應變，焊接殘余應力消除；● C＞0，硬性爆炸，爆炸結果：在爆炸區(qū)形成一定數值的殘余壓縮應力；● C 與εe 異號，軟性爆炸，爆炸結果：爆炸區(qū)仍存有一定數值的焊接殘余應力。,圖27 爆炸消除焊接殘余應力專用炸藥,● 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鋼拘束對接試板,圖29 16Mn鋼焊接試板爆炸處理前后的表面殘余應力分

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力分布,圖31 爆炸處理對16Mn3鋼焊接接頭疲勞強度的影響,● 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16Mn3鋼焊接接頭疲勞裂紋擴展速率的影響,● 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