（材料加工工程专业论文）喷熔修形法改善焊接结构疲劳性能的研究.pdf

中文摘要 疲劳断裂是焊接结构主要的破坏形式，且大部分焊接结构件的断裂发生在焊 趾部位。原因是焊趾部位存在应力集中和焊接残余拉伸应力，使得接头处的疲劳 强度远低于基体金属的疲劳强度。提高和改善焊接接头的疲劳性能是长期来国内 外有关专家研究的热点课题。目前国内外有关采用喷熔修形法提高焊接结构疲劳 性能研究的文献尚未见到。 通过喷熔修形，获得了较大的焊趾区过渡半径。 通过高周疲劳试验得出如下结论：原始焊态的2 1 0 6 条件疲劳强度为 1 4 6 5 m p a ，n i 6 0 喷熔处理十字接头试件的2 1 0 6 条件疲劳强度为2 4 1 m p a ，比 原始焊态提高6 4 5 左右，f e 3 8 喷熔处理十字接头试件的2 1 0 6 条件疲劳强度 为2 0 8 m p a ，比原始焊态提高4 2 左右。 计算n i 6 0 喷熔修形态、f e 3 8 喷熔修形态在寿命为1 0 7 次所对应应力幅下的焊 态疲劳寿命，粗略的估计n i 6 0 喷熔修形态比焊态试件疲劳寿命提高2 0 倍左右， f e 3 8 喷熔修形态比焊态试件疲劳寿命提高1 1 倍左右。 用a n s y s 建立焊态、n i 6 0 喷熔态、f e 3 8 喷熔态三种十字接头的有限元模 型，计算出了其应力集中系数分别为2 4 6 1 3 、1 0 4 5 9 、1 5 5 0 4 。 通过对应力集中系数的有限元模拟计算，分析了焊缝高宽比、焊缝高度、焊 趾区过渡半径等几何因素对应力集中系数的影响。证明喷熔修形法主要是通过提 高焊接接头焊趾区过渡半径，降低了该区域的应力集中程度，从而使焊接接头的 疲劳强度获得较大提高。 关键词：喷熔修形焊接接头 疲劳强度焊趾应力集中系数 合金粉末 有限元分析 a b s t r a c t f a t i g u ef r a c t u r ei st h em o s ti m p o r t a n t f a i l u r em o d e a n dm o s to fe n d u r a n c ef a i l u r e so f w e l d e dc o n s t r u c t i o na r eo c c u r r e di nt h et o eo f w e l d s t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dw e l d i n g r e s i d u a ls t r e t c h i n gs t r e s sa r et h em a i nr e a s o n so ft h ef a i l u r e m o s t l y ，t h ef a t i g u ev a l u e o fw e l d e ds p l i c ei sw e l li n f e r i o rt ot h ev a l u eo fp a r e n tm e t a l s ot h ef a t i g u ev a l u eo f t h ew e l d e dc o n s t r u c t i o ni sd e p e n d e n to nt h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h ep a r e n tm e t a l i m p r o v i n gt h ef a t i g u es t r e n g t hi so n e o fr e s e a r c hh o t s p o tf o rs o m ee x p e r t sa th o m e a n da b r o a d n o w , t h er e p o r t sa b o u tt h er e s e a r c ho fm o d i f i c a t i o no fs p r a yf u s i n go n i m p r o v i n gt h ef a t i g u es t r e n g t ho f w e l d e dc o n s t r u c t i o na r en o tf o u n dy e t a f t e rb e i n gm o d i f i e dt h r o u g hs p r a yf u s i n g ，t h ek n u c k l er a d i u so f t h et o ez o n eb e c a m e l a r g e r c o n c l u s i o n sc a nb e e nd r a w nb yh i g hc y c l ef a t i g u et e s t i n g ：2 10 0o f f s e te n d u r a n c e s t r e n g t ho fw e l d e dj o i n ti s1 4 6 5 m p a ，2 x1 0 6o f f s e te n d u r a n c es t r e n g t ho f t h ew e l d e d i o i n ts p r a yf u s e db yn i 6 0i s2 4 1 m p a ，i n c r e a s e db y6 4 5 2 x 1 0 6o f f s e te n d u r a n c e s t r e n g t ho ft h ew e l d e dj o i n ts p r a yf u s e db yf e 3 8i s2 0 8 m p a ，4 2 m o r et h a nw e l d e d j o i n t t h ef a t i g u e s t r e n g t ho fw e l d e dj o i n tw h i c ht h en u m b e ro f s t r e s sa m p l i t u d e c o r r e s p o n d i n gt ot h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h ej o i n ts p r a y e db yn i 6 0a n d f e 3 8a t1 0 c y c l e s c u r s o r ye s t i m a t ec a nb ed r a w n ：t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h ej o i n ts p r a y e db y n i 6 0i si n c r e a s e db y2 0t i m e st h a nt h es t r e n g t ho fw e l d e djo i n t ；t h ef a t i g u es t r e n g t ho f t h e j o i n ts p r a y e db yf e 3 8i si n c r e a s e db y1 1t i m e st h a nt h es t r e n g t ho f w e l d e dj o i n t f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fw e l d e djo i n t ，w e l d e djo i n ts p r a y e db yn i 6 0 ，w e l d e djo i n t s p r a y e db yf e 3 8a r eb u i l t s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ro f w e l d e dj o i n ti s2 4 6 1 3 ，a n d w e l d e di o i n ts p r a y e db yn i 6 0i s1 0 4 5 9 ，a n dw e l d e d j o i n ts p r a y e db yf e 3 8 i s1 5 5 0 4 s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r si n f l u e n c e db ya s p e c tr a t i o ，h e i g h to fw e l d i n gl i n ea n d k n u c k l er a d i u so ft o eo fw e l dw e r ea n a l y z e dt h r o u g hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s c o n c i u s i o n sc a nb e d r a w n ：t h em a i nr e a s o no fi m p r o v i n gf a t i g u es t r e n g t h b y m o d i f i c a t i o no fs p r a yf u s i n gi st h ed e c r e a s eo ft h ek n u c k l er a d i u so ft o eo fw e l d e d j o i n t k e yw o r d s ：m o d i f i c a t i o no fs p r i t yf u s i n g w e l d e dj o i n t f a t i g u es t r e n g t h t o eo fw e l ds t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r p o w d e r e da l l o y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s is 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：诹列 签字日期：矽67 年月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒葛趸孑 导师签名： 枷 签字日期一b 7 年月岬 签字日期。m 7 年月夕日 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 焊接结构广泛地应用在船舶、压力容器、车辆、桥梁、海洋工程、工程机械、 航空航天、电力、冶金等重要领域。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方 法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的4 5 以上i l2 1 ，工业发达国家的这一比例 已经接近7 0 。然而焊接结构经常不断发生断裂事故，其中9 0 为疲劳失效【3 一。 大量事实表明1 5 - 1 0 1 ：疲劳是焊接结构最主要破坏形式。如当今的火车提速己 使机车车体和转向架疲劳问题【1 1 2 】成为影响铁路行车安全和使用寿命的重要伤 损机制；再如水轮机叶片疲劳损伤问题【l 玉1 4 】迄今也没有得到妥善解决。焊接结 构疲劳断裂事故多发的原因是由于其接头焊趾部位存在的应力集中、焊接残余应 力和缺陷的联合作用，使其疲劳强度大幅度地低于基本金属所致。为了保证焊接 结构在使用过程的可靠性，国内外相应疲劳设计规范普遍规定必须以焊接接头疲 劳强度作为整体结构强度校核指标，而不采用基本金属的疲劳数据。显然这会在 材料利用效率方面造成极大浪费，同时也增加了制造周期和成本。即使如此，在 焊接接头局部应力集中作用下仍然会发生整体结构的过早疲劳失效，造成巨大经 济损失甚至是人身伤亡事故，国内外已有不少相关报导n 知。因此提高焊接接头 疲劳强度具有极大的经济和社会效益，长期来一直是国际相关专家研究热点课题 0 6 1 o 焊接接头疲劳性能的一个显著特点是【1 7 l ：接头的疲劳强度与母材的静强度关 系不大。对于高强钢来说，起焊接接头的疲劳强度并不是比低碳钢高。使设计焊 接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足承受更高动载的工程需要失去了 可能性。在一定程度上也限制了焊接接头承受交变动载的能力，而使焊接结构承 受交变载荷的能力与母材相比较差的问题更为严重。 大量研究和实践表明【1 7 8 1 ，焊接接头的疲劳破坏一般起裂于焊接接头的焊 趾部位。如果能改善焊趾处疲劳裂纹的起裂性能，将有效地提高焊接结构的疲劳 强度。为了使焊接结构很好地满足工程上对其提出的承受动载的要求，能够采取 的措施主要有两点。一方面，增加对焊接结构抗疲劳特性的了解，精心设计构件 的结构形式及接头形式，并严格控制焊接质量，防止和减少焊接缺陷的产生，使 所设计的焊接结构更合理，从而具有更高的疲劳强度。另一方面，直接面对焊接 接头疲劳性能较差的弱点，在焊接结构制造过程中或完成后及使用过程中采取有 第一章绪论 效的工艺措施，提高接头的疲劳强度，增加其承受动载的能力、延长其使用寿命， 其积极意义是显而易见的【1 9 2 3 1 。 多年来，有关专家学者提出了一些改善措施，如t i g 熔修法、机械打磨焊 趾法、喷丸法、锤击法、过载法、挤压法、局部加热法等。但这些方法多数仍停 留在实验室阶段，离工程实用的距离较大甚至根本无法在实际结构中得以应用。 主要原因有两点：一方面可能受方法本身特点的限制，可使用的场合较少；另一 方面，这些方法运用起来较为复杂，导致人们不愿意使用。即使对最近新兴起来 的超声冲击处理法和低相变点焊条法，虽然有其各自的优势，但仍存在各自自身 的缺点。因此找到一种使用灵活方便、处理效率高、应用时受限少、适用于各种 接头和结构形式且使用成本相对较低的改善焊接接头疲劳强度、延长焊接接头使 用寿命的工艺措施仍然非常迫切和必要。 1 2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素 1 2 1 静载强度对焊接结构疲劳强度的影响 高强钢具有较高的比强度，可以以较轻的自身重量去承担较大的负载重量， 或者对同样的承载能力可以减轻自身的重量。高强钢的疲劳强度随着静载强度的 增加而提高。但是对于焊接结构来说，焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝 金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系【1 7 】，也 就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有相 同的s o n 曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接粱等各种接头形式。这 是由于在焊趾部位距离表面o 5 m m 左右处一般都存在有熔渣等缺陷，该缺陷较尖 锐，相当于疲劳裂纹提前萌生的缘故，因而接头在定应力幅下的疲劳寿命主要 由疲劳裂纹扩展阶段决定。 m a d d o x 研究了屈服点在3 8 6 6 3 6 m p a 之间的碳锰钢和用6 种焊条施焊的焊缝 金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况【2 4 】。结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展 速率有一定影响，但并不大。可见，焊接接头的疲劳强度与母材及焊接材料的静 强度关系不大，而主要由接头的几何外形造成的应力集中程度所决定。在设计承 受交变载荷的焊接结构是，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有 意义的。只有在应力比大于+ 0 5 的情况下，静强度起主要作用时，焊接接头的母 材才可以考虑采用高强钢。 2 第一章绪论 1 2 2 应力集中对疲劳强度的影响 焊接接头及结构的疲劳裂纹往往从存在严重应力集中的接头焊趾或焊根处 开始1 2 5 1 。同时焊趾区表层的一些焊接缺陷也是造成接头应力集中的根源之一。有 人认为焊接接头部位存在的宏观与微观应力集中是造成焊接接头疲劳强度较低 的最主要原因，这是非常有道理的。所以降低焊接接头高应力区域的应力集中程 度能够提高焊接接头的疲劳强度。因此，应力集中程度是评价一种工艺方法能否 改善接头疲劳强度的一个重要指标。 1 2 2 1 接头类型的影响 焊接结构在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。当有外 载作用时，各种接头形式因几何形状的不同，所引起的应力集中程度相差较大【1 7 1 。 对接接头的力线受到的干扰较小，故而应力集中系数较小，其疲劳强度也将 高于其他接头形式，是一般设计中优先考虑采用的接头形式。值得说明的一点是： 对某些对接接头具有永久型垫板，由于垫板处形成严重的应力集中从而降低了接 头的疲劳强度。这种接头的疲劳裂纹均从焊缝和垫板的接合处产生，而不是在焊 趾处产生，其疲劳强度一般与不带垫板的最差外形的对接接头疲劳强度相当。 十字接头或t 形接头在焊接结构中也得到了广泛的应用。这种接头形式由于 在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的 应力集中系数高一些，因此十字接头或t 形接头的疲劳强度要低于对接接头。对 于未开坡口的角焊缝接头或开坡口但局部熔透的接头，当焊缝传递工作应力时， 其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节，即焊趾或焊根。对于疲劳断裂发生在焊根 部位的情况，一般没有有效的工艺措施提高其疲劳强度。对于开坡口焊透的角接 头，断裂一般发生在焊趾处，而不是在焊缝处。焊缝不承受工作应力的十字和t 形接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要受力板交界处的应力集中，t 形接头具 有较高的疲劳强度，而十字接头的疲劳强度较低。提高十字和t 形接头的根本措 施是开坡口焊接，并加工焊缝过渡处使之圆滑过渡，通过这种改进措施，疲劳强 度可以有较大幅度的提高。 搭接接头的疲劳强度是很低的，这是由于力线受到了严重的扭曲。采取所谓 “加强盖板的对接接头是极不合理的，由于加大了应力集中的影响，采用盖板 后，原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了。 1 2 2 2 焊趾区几何形状对接头疲劳强度的影响 焊缝形状不同，其应力集中系数也不相同，从而疲劳强度具有较大的分散性。 这是因为有一系列因素影响着接头疲劳性能的缘故。研究表明，焊接接头的焊趾 几何外形对于其疲劳强度的影响最大，且母材强度级别越高这种影响越显著。改 3 第一章绪论 善焊接接头的疲劳强度，可以从改善焊缝几何形状方面着手，降低其焊趾部位的 应力集中程度。影响焊接接头焊趾区应力集中程度的几何形状参数主要有以下几 个方面。 1 焊趾过渡半径的形响 大量研究表明，焊趾区过渡半径对焊接接头的疲劳强度具有重要影响。随着 过渡半径的增加( 过渡角0 保持不变) ，其疲劳强度也相应增加。某种工艺措施 如果能够大幅度地增加焊趾区过渡半径。就能够改善焊接接头的疲劳强度。 2 过渡角0 的影响 y a m a g u c h i 等人建立了接头疲劳强度和基本金属与焊缝金属之间过渡角( 外 钝角) 的关系。当焊缝宽度w 和高度h 变化，但h w 比值保持不变，即夹角恒 定。结果表明，疲劳强度也保持不变。但如果w 保持不变，变化参量h ，则发 现h 增加，接头疲劳强度降低，这显然是过渡角增加的结果。因此，随着过渡 角0 的增加，相应疲劳强度有所降低。故而，减小过渡角0 的工艺方法同样能够 提高接头的疲劳强度。 1 2 2 3 焊接缺陷对接头疲劳强度的影响 焊趾部位存在有大量不同类型的缺陷，这些缺陷导致疲劳裂纹早期开裂和使 其母材的疲劳强度急剧下降( 下降到8 0 ) 。焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与 缺陷的种类、方向和位置有关【2 6 2 7 1 。 缺陷可分成两大类：面状缺陷( 如裂纹、未熔合等) 和体积型缺陷( 如气孔、夹 渣等) 。它们的影响程度是不同的，其中面状缺陷对接头疲劳强度更不利。焊接 接头中的裂纹尖端是极为严重的应力集中部位，它可大幅度降低结构或接头的疲 劳强度。焊缝和热影响区都可能有裂纹存在，似乎当裂纹较浅时有些工艺方法能 够将其消除( 如补焊、锤击等) ，而裂纹过深时则很难将其彻底消除的，只有将焊 缝刨掉重焊。 1 裂纹焊接中的裂纹，如冷、热裂纹，除伴有具有脆性的组织结构外， 还是应力集中源，它可大幅度降低结构或接头的疲劳强度。早期的研究 已表明【2 7 】，尺寸为宽6 0 m m 、厚1 2 7 r a m 的低碳钢对接接头试件，在焊 缝中具有长2 5 m m 、深5 2 m m 的裂纹时( 它们约占试件横截面积的1 0 ) ， 在交变载荷条件下，其2 1 0 6 循环寿命的疲劳强度大约降低了5 5 9 6 - 6 5 。 2 未焊透应当说明，不一定将未焊透认为是缺陷，因为有时人为地要求 某些接头为周部焊透，典型的例子是某些压力容器。未焊透缺陷有时为 表面缺陷( 对单面焊缝) ，有时为内部缺陷( 双面焊缝) 。它可以是局部性质 的，也可以是整体性质的。其主要影响是削弱截面积和引起应力集中。 这意味着其影响不如裂纹严重。如果存有未焊透缺陷，疲劳裂纹将不在 4 第一章绪论 余高和焊趾处起始，而是转移到焊缝根部未焊透处。当未焊透缺陷为表 面缺陷时，似乎可能采取某种工艺方法将其消除；而位于内部时很难对 其施加影响。对接头疲劳强度要求较高的情况，在进行焊接时就应设法 避免该缺陷的存在。 3 未熔合未熔合也属于平面缺陷，对焊接接头疲劳强度的影响程度与未 焊透相仿。其往往位于接头焊趾区表面，故可能采取某种工艺方法将其 减小。这与未熔合的深度有关。较浅时似乎有一些办法是行得通的；而 缺陷较深的时候，同样是很难进行处理的，至少有时不能完全消除。 4 咬边表征咬边的主要参量咬边长度l ；咬边宽度w 等。影响疲劳强 度的主要参量是咬边深度h 。目前可用咬边深度h 或深度与板厚比值 ( h b ) 作为参量评定接头疲劳强度。咬边缺陷往往位于焊趾部位，因 此，从缺陷位置上看，可能采用某种工艺方法将其消除，以提高焊接接 头的疲劳强度，如t i g 熔修法、锤击法等。 5 气孔气孔是典型的体积缺陷，因而难以采用断裂力学方法进行评定。 h a r r i s o n 对前人的有关试验结果进行了分析总结【2 剐，结果说明，疲劳强 度下降主要是由于气孔减少了截面积尺寸造成。一些研究表明 】，当采 用机加工方法加工试件表面，使气孔处于表面上时，或刚好位于表面下 方时，气孔的不利影响加大，它将作为应力集中源起作用，而成为疲劳 裂纹的起裂点。这说明气孔的位置比其尺寸对接头疲劳强度影响更大， 表面或表层下气孔具有最不利影响。一般情况下，似乎没有有效的工艺 方法在焊后能够将内部气孔消除，好在其对接头疲劳强度影响不大。 6 夹渣夹渣缺陷也是体积型缺陷，研究表明1 7 , 1 8 , 2 7 ：夹渣比气孔对接头 疲劳强度影响要大。其往往位于焊趾区部位，较浅的夹渣对接头疲劳强 度的不利影响，焊后能够被某些工艺方法基本消除。 由此可见，焊接缺陷对接头疲劳强度的影响，不但与缺陷尺寸有关，而且还 决定于许多其它因素，如表面缺陷比内部缺陷影响大，与作用力方向垂直的面状 缺陷的影响比其它方向的大；位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力 区的大；位于应力集中区的缺陷( 如焊趾部位的裂纹) 比在均匀应力场中同样缺 陷影响大。 1 2 3 焊接残余应力对焊接结构疲劳强度的影响 焊接残余应力对焊接结构的疲劳强度的影响，是人们广泛关心的问题，为此 人们进行了大量的试验研究工作1 2 9 - 3 3 】。 研究表明，在实际焊接结构中焊缝附近的焊接残余拉应力数值很大，往往能 第一章绪论 够达到，甚至超过母材的屈服强度。这是焊接接头疲劳强度研究中的一个较为特 殊的问题。因此，有人建议【1 8 , 2 7 , 3 4 , 3 5 】，为了用小试件能够反映真实结构的疲劳情 况，在常幅应力循环载荷作用下，最大应力水平恒定为材料的屈服强度，实际应 力幅由材料的屈服点向下移动，而不管其原始作用的循环特征如何。这些高数值 焊接残余拉应力的存在是目前大多数焊接结构疲劳设计规范以应力范围，而不是 以最大应力水平为基准的根本原因。由于焊接残余拉应力的存在，使接头实际承 受的最大应力总能达到材料的屈服强度，当外加载荷的循环比r 较小时，其所能 承受的应力幅受到很大的影响【3 酬。因此，调整或消除焊接残余应力能够提高焊接 接头的疲劳强度，尤其是当外载荷的循环比r 较小时。 人们似乎很愿意用热处理的方法消除焊接残余应力来提高焊接接头的疲劳 强度。但一些研究结果表明【1 7 ，2 5 1 ，消应热处理能够提高焊接结构疲劳强度是有条 件的。当外载荷的循环l k r 较小而接头应力集中程度较大时，效果较好；反之可 能会降低接头的疲劳强度，因为热处理一方面消除焊接残余应力，同时也导致接 头表面氧化、脱碳及组织软化，这是对疲劳强度不利的因素。因此，实际效果是 二者平衡的结果。大多数情况下，焊接结构所承受的载荷多属高平均应力的范畴， 因而效果并不显著，甚至是有害的。 如果采用的工艺方法能够在不降低接头焊趾区材料硬度的同时，调整焊接残 余应力场，降低、消除焊接残余应力或在接头焊趾区造成高数值的残余压应力就 能够大幅度提高接头的疲劳强度。 1 3 改善焊接残余应力的低相变点焊条法 焊接接头疲劳裂纹一般启裂位置存在于焊根和焊趾两个部位，如果焊根部位 的疲劳裂纹被抑制，焊接接头的危险点则集中于焊趾部位。针对不同焊接接头的 具体特点，采取一定的有效工艺措施提高其疲劳强度的途径有以下四点：改变 焊缝的几何外形，降低焊趾部位的应力集中程度。消除接头部位尤其是焊趾区 表层的焊接缺陷及显微缺陷。调节焊接残余应力场，消除其消极影响，使之向 有利于疲劳强度提高的方向转变，在焊趾部位表面形成有利的压应力。使接头 部位尤其是焊趾区表层得以硬化。当所采用的具体工艺具有上述特征时，就能够 大幅度地改善焊接接头及结构的疲劳强度。改善焊接接头疲劳强度的工艺方法， 现将可以见得到的方法评述如下： 1 t i g 熔修 t i g 熔修是用钨极氩弧焊的方法在焊接接头的过渡部位重熔一次或两次，使 焊缝与基本金属之间形成平滑过渡。国内外的研究均表明 2 2 , 3 7 - 4 6 ，这种方法减少 6 第一章绪论 了应力集中，同时也减少了焊趾部位微小非金属夹杂物，所以t i 嘴修可大幅度 提高焊接接头的疲劳强度。国际焊接学会组织欧洲一些国家和日本的一些焊接研 究所，采用统一由英国焊接研究所制备的试件进行了一些改善接头疲劳强度方法 有效性的统一性研究，证实经该方法处理后该接头的2 1 0 6 循环下的标称疲劳强 度提高5 8 ，如果将得到的2 1 1 m p a 的疲劳强度标称值换算成相应的特征值( k 指 标) 为1 4 4 m p a 。它己高出国际焊接学会的接头细节疲劳强度中的最高f a t 值【2 7 1 。 但t i g 熔修法也存在较大而且难以克服的缺点。首先，t i g 熔修时需要保护 气体，如果想获得良好的焊缝外形，防止焊趾熔渣咬边等缺陷出现，就必须严格 要求气体保护的效果。其二，准备工作繁多。为了获得满意的焊道，t i g 熔修前 需要仔细清理待处理焊缝表面，去除存在的杂质，否则会出现严重的咬边。而且 需经常打磨电极，保证其端部的尖锐程度，处理强度级别较高钢种的焊接接头时 还需要预热。其三，为了防止可能出现的过度硬化，有时需重熔两次以上。其四， 存在熄弧与重新起弧的问题。其五，受焊接位置影响，如立焊、仰焊的效果较差。 2 机械加工 若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减少，对接接头的疲劳强 度也相应提高，当焊缝不存在缺陷时，接头的疲劳强度可高于基本金属的疲劳强 度。但是表面加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适 宜采用这种加工。而带有严重缺陷和不用底焊的焊缝，起缺陷处和焊缝根部应力 集中要比焊缝表面的应力集中严重的多，所以在这种情况下对焊缝表面进行机械 加工是毫无意义的。 3 砂轮打磨 有关资料证吲1 8 1 ，采用砂轮打磨，虽然效果不如机械加工，但也是一种提高 焊接接头疲劳强度的有效方法。国际焊接学会推荐采用高速电力或水力驱动的砂 轮，转速为1 5 0 0 0 - 4 0 0 0 0 r a d m i n ，砂轮由碳钨材料制作，其直径应保证打磨深度 半径应等于或大于1 4 板厚。国际焊接学会最近的研究表明，试件经打磨后，其 2 1 0 6 循环下的标称疲劳强度提高4 5 ，如果将的到的1 9 9 m p a 疲劳强度标称值换 算成相应的特征值1 3 5 m p a ，它也高于国际焊接学会的接头细节疲劳强度中的最 高f a t 值。要注意的是磨削方向应与力线方向致，否则在焊缝中会留下与力线 垂直的刻痕，它相当于应力集中源，起到降低接头疲劳强度的作用。 4 预过载法 在含有应力集中的试件上施加拉伸载荷直到在缺口处发生屈服，并伴有一定 的拉伸塑性变形，则卸载后在缺口及其附近发生拉伸塑性变形处将产生压缩应 力，而在试件其它截面部位将有与其相平衡的低于屈服点的拉伸应力产生。受此 处理的试件，在随后的疲劳试验中，其应力范围与原始未施加预过载的试件相比， 7 第一章绪论 显著变小，因此它可以提高焊接接头的疲劳强度。 研究表明1 1 9 , 2 7 1 ，大型焊接结构( 如桥梁、压力容器等) 投入运行前需进行一定 的预过载试验，这对提高疲劳性能是有利的。然而，焊接接头通过过载而得到的 疲劳强度增量与其它方法相比是较低的。且在一些实际工程应用时，实施起来是 较为困难的。 5 局部加热法 该方法通常采用气焊炬在焊缝附近特定的位置进行加热，产生在截面宽度上 平衡的残余应力分布。在实际处理的区域产生残余拉应力，而在距离加热点中心 很远的地方产生与之平衡的压应力。局部加热能够较大程度地提高焊接接头及结 构的疲劳强度，也可用来减慢或制止疲劳裂纹的扩展，这己被国内外很多试验所 证实【1 7 , 1 8 , 2 7 】。但在实用中存在以下几个问题。首先，只有当缺口是局部的时候才 能使用这个方法，即只能处理点焊或纵向角焊缝端部这类缺口而不适用于处理横 向焊接接头；另外，普通的局部加热很难确定加热区域的最佳位置及应加热到的 合适温度口。 6 g u n n e r t 方法 由于普通局部加热的方法，有时难以准确地确定的加热位置和加热温度。为 了获得满意效果，g u n n e r t 提出了另一种局部加热方法。该方法的要点是直接向 缺口部位而不是附近部位加热，加热温度控制在能产生塑性变形但低于相变温度 5 5 温度或直接加热到5 5 0 ，然后进行急剧喷淋冷却。由于表层下金属和其周 围未受喷淋的金属冷却的较晚，待其冷却时收缩将在己冷却表面上产生压缩应 力。凭借此压缩应力来提高焊接接头的疲劳强度。需要注意的是：为了伎底层亦 达到加热目的，加热过程要缓慢些。g u n n e r t 建议加热时间为3 m i n ，而h a r r i s o n 建议加热时间为5 m i n o h t a t l8 4 7 1 采用此方法成功的防止了对接管道内部产生疲劳裂纹。具体方法是 管道外部采用感应法加热，里面用循环水冷却。因此在管道内部产生了压缩应力， 因而有效地防止了疲劳裂纹在管道内部产生。 这种方法巧妙地解决了加热位置和加热温度的问题。但还是只能处理点焊或 纵向角焊缝端部这类缺口而不适用于处理横向焊接接头1 7 1 。因此该方法可使用的 范围依然较小。 7 锤击法 锤击法是冷加工方法，其作用是在接头焊趾处表面造成压缩应力。因此，本 方法的有效性与在焊趾表面产生的塑性变形有关；同时锤击还可以减少焊趾区的 缺口的尖锐度，因而降低了应力集中，这是该方法大幅度提高接头疲劳强度的原 因。国际焊接学会推荐的气锤压力应为5 - 6 p a 。锤头项部应为8 1 2 m m 直径的实 8 第一章绪论 体材料，推荐采用4 次冲击以保证锤击深度达0 6 m m 。国际焊接学会最近的工作 表明1 1 8 1 ，对于非承载t 形接头，锤击后其2 x1 0 6 循环周次下，接头疲劳强度提高 5 4 。普通锤击法目前应用的相对较多1 4 8 1 。这种方法使用起来较为方便，成本相 对较低，效果很好。但锤击法在使用过程中同样存在不少实际问题。主要是：处 理效率较低；执行机构相对较大，劳动强度大；可控性较差，效果不够稳定口； 噪声也较大。 8 喷丸法 喷丸是锤击的另种形式，也属冷加工的方法。喷丸的效果依赖于喷丸直径 尺寸，喷丸尺寸不应过大，使其能处理微小的缺陷。同时喷丸尺寸亦不应过小， 以保证一定的冷作硬化性能，喷丸一般可在距离表面干分之几毫米的深度上发生 作用。试验表明舡5 3 】，喷丸处理提高焊接接头疲劳强度的效果较好，可高于t i g 熔修处理。若t i 磷修后再进行喷丸处理，则提高疲劳强度的效果更为显著【4 8 1 。 在各类改善焊接接头及结构疲劳强度的措施中，属效果最佳的几种方法之一。 但使用该方法处理焊接接头及结构，提高其疲劳强度的应用实例却并不多见 u 7 1 ，其原因并不是效果问题，而是受喷丸工艺的本身及实施特点所限。首先，焊 接结构一般构造较为复杂，若使整个结构得以处理，需在较多方向、长时间喷射 丸粒，受处理面积很大，消耗大且针对性不强、灵活性差。而焊接结构需处理的 一般只是较为薄弱的焊接接头部位( 焊趾及焊缝端部) 。其二，喷丸处理所需设备 一般较为庞大，不利于野外施工及高空作业，而这类焊接结构却为数不少。有些 焊接结构处于半封闭状态，本身就不便于进行喷丸处理。其三，喷射时丸粒大量 反射，需要考虑安全防护问题及丸粒的回收。其四，噪音极大，一般需采取隔音 降噪措施。其五，设备复杂、投资较大。正是这些因素限制喷丸法在处理焊接接 头及结构中的应用。 9 低相变点焊条方法( l 1 r t e ) 低相变点焊条法的基本原理是：利用钢铁材料在冷却过程中，由于化学成分、 合金含量和冷却速度不同，发生不同的组织转变，当组织转变伴随有体积膨胀时， 在拘束条件下将会产生相边压缩应力。焊接接头中这种相边压缩应力可以提高焊 接接头的疲劳强度。 天津大学材料学院设计和优化研制了低相变点焊条，并在各种焊接接头上进 行了大量的疲劳试验和工艺性能试验。结果分析说明【5 7 1 ，残余压缩应力的大小 与焊接接头拘束度有较大关系，拘束度越大，其残余压缩应力越大，疲劳强度的 提高效果也越大。 为了克服焊接结构的成本问题，天津大学在试验的基础上提出了低相变点焊 条焊趾熔修( l t t e d r e s s i n g ) 提高焊接接头疲劳强度的方法【5 引。实验证明了这一 9 第一章绪论 方法的可行性和实用性。 但是由于该方法所使用的低相变点焊接材料形成了韧性较差的马氏体金相 组织，而实际焊接结构一般对接头韧性却有较高的要求。很大程度上限制了该方 法在工程结构中的应用。虽然日本在低相变点焊接材料增韧方面取得了重要进 展，研制了具有较高韧性的超低碳马氏体低相变点焊接材料，但离海洋工程、桥 梁等焊接结构对接头韧性要求还有距离，需要继续研究突破，否则很难得到大范 围应用。 1 0 超声冲击法 该方法提高焊接接头疲劳强度的机理与锤击和喷丸基本一致。通过一定的装 置将超声频的机械震动传递给工件上的焊缝，使以焊趾为中心的一定区域的焊接 接头表面产生足够深度的塑变层。从而有效地改善焊趾的外表形状，使其平滑过 渡，降低了焊接接头的应力集中程度，提高了焊接接头的疲劳强度。 我的导师王东坡老师利用自行研制的基于压电陶瓷换能器的超声波冲击装 置，对焊接接头进行冲击处理，证明在各种应力水平下( 高周疲劳范围) ，疲劳 寿命均有很大提高【5 吣8 1 。 然而，超声冲击在处理只能对焊趾表面很薄的一层起到焊接残余应力场调节 的作用。过载后疲劳性能有所下降，同时母材的疲劳强度也相应有所下降。 1 4 本文研究方向的提出和国际研究动态 通过喷熔的方法，可以有效地改善焊缝与母材过渡区( 焊趾) 的外表形状， 使其平滑过渡，减低焊接接头的应力集中程度。这就是喷熔修形的概念。在国内 外利用这种方法提高焊接结构疲劳性能的研究工作还是空白领域。近两年，我的 导师王东坡和他的合作者在研究中发现，通过等离子喷涂可以在某些焊接接头上 获得疲劳性能的一定改善【2 3 , 6 9 1 ，等离子喷涂试件比焊态的试件疲劳强度提高了 2 5 9 ，火焰喷涂试件比焊态的提高9 。7 。等离子喷涂试件的疲劳寿命是焊态试 件的1 5 8 9 6 2 倍，火焰喷涂试件的疲劳寿命是焊态的1 5 5 1 9 7 倍。该研究结果 已被推荐在国际焊接学会会y o w e l d i n gi nt h ew o r l d 上发表，得到很多国际焊接疲 劳问题专家的认可。但研究过程中也同时看到了喷涂方式提高接头疲劳性能的致 命弱点，即基体材料与喷涂层基本属于机械结合，其结合强度不高的缺点极大影 响了该方法的实旋效果，此外由于喷涂层本身较脆，因而难以在韧性要求较高的 焊接钢结构中广泛使用。有鉴于此，我的导师提出了通过喷熔修形方式来提高焊 接结构疲劳性能的新设想。由于喷熔所形成的金属附加层与基体材料之间形成了 很好冶金结合，使得二者之间结合强度得到根本改善，因此该方法很有可能使焊 1 0 第一章绪论 接接头疲劳性能得到更大提高。 1 5 本文研究的主要内容 本文将对改善焊接接头及结构疲劳强度的喷熔修形技术进行研究。主要内容 包括：选择两种典型的喷焊粉末材料，用火焰喷熔的方法对焊接接头进行处理， 以焊趾获得较大的圆滑过渡半径为标准，确定合理的工艺方法；然后针对我国 q 2 3 5 这种较为典型的焊接结构用钢，分别用这两种喷焊粉末对接头进行喷熔修 形处理，验证喷熔修形法改善接头焊趾部位过渡半径的效果；然后再对处理过的 接头进行常规力学性能实验和疲劳强度实验，验证喷熔修形法改善焊接接头疲劳 强度的实际效果；用通用有限元分析软件a n s y s 分别对焊态和喷熔修形态焊趾 过渡部位的应力集中系数进行模拟分析，从理论的角度分析喷熔修形法提高焊接 接头疲劳强度的可行性，并对喷熔修形法提高焊接接头疲劳强度的机理做出分析 说明。 第二章，结合焊接工程结构中常用的低碳钢q 2 3 5 b 板材的横向非承载十字 焊接接头，阐述了喷熔修形法处理焊接接头的工艺方法，讨论了两种合金粉末的 工艺性能，制备出了本实验所用的所有试件。 第三章，分别对焊态、镍基合金喷熔修形态和铁基合金喷熔修形态十字接头 进行疲劳拉伸试验，并对试验结果数据进行整理分析。测试喷容材料的基本力学 性能。观察并分析试件的金相显微组织。 第四章，用a n s y s 分别对焊态和喷熔修形态焊趾过渡部位的应力集中系数 进行模拟分析，证明喷熔修形改善应力集中的效果；通过对焊趾区应力集中系数 的有限元模拟计算，分析焊缝高宽比、焊缝高度、焊趾区过渡半径等几何参数对 应力集中系数的影响；最后对喷熔修形法提高焊接接头疲劳强度的机理进行总结 说明。 第五章，总结全文，得出结论。 第二章喷熔修形法制备实验试件 第二章喷熔修形法制备实验试件 制备出焊趾区过渡圆滑的试件是本文的关键部分，这一点做不好，后续的性 能实验都是徒劳，所以本章关系到实验的成败。 2 1 实验材料及焊态试件的制备 试验材料为焊接工程结构中常用的低碳钢q 2 3 5 b 板材，具有良好机械性能 和良好的焊接性，其力学性能如下表2 - 1 所示。采用非承载角焊缝横向十字接头 进行疲劳试验。 ， 表2 - 1q 2 3 5 b 钢的力学性能 材料o 。m p a ob i p a6 e g p a v q 2 3 5 b 2 6 7 44 3 5 52 6 2 0 6o 3 为了实验方便，采用整体焊接( 如图2 1 所示) ，整体喷熔修形，然后线切 割制备实验试件( 如图2 2 所示) 。整体焊态十字接头试件的制备：采用不开坡 口的角接焊缝。利用二氧化碳气体保护焊进行焊接，焊接材料为h 0 8 m n 2 s i a ， 焊接规范如表2 2 所示。为了消除因为未焊透而影响线切割时候不导电，焊接之 前要对试件表面进行的打磨，除去板材表面的氧化皮；同时为了防止和减少焊接 试件出现角变形和扭曲变形，先用交叉固定的方法将横向十字接头固定，然后对 称焊接。焊后结果表明：除出现轻微的角变形外，未发现扭曲变形。 表2 - 2 焊接工艺参数 接头类别 工序电压电流a焊速( m m i n ) q 2 3 5 b 十字接 第一道2 1 71 5 00 2 3 头 第二道2 2 1 1 8 0o 1 8 1 2 第二章喷熔修形法制备实验试件 图2 - 1 整体焊接试件几何形状及尺寸 一 li 1e 二j 司 c 旷 a 图2 2 非承载角焊缝横向十字接头几何形状与尺寸 2 2 喷熔修形态试件的制备 熟悉喷熔的基本原理和工艺，结合本实验的具体要求，分析喷熔修形法制备 适合实验要求试件的原理和工艺方法。 2 2 1 喷熔修形加工原理 热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速 度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，赋予基体表面特殊功能的 1 3 第二章喷熔修形法制备实验试件 目的。喷熔是对热喷涂技术应用的扩展。 喷熔包括喷涂和重熔两个过程，这两个过程可以先后进行也可以同时进行。 在喷涂过程中，粉末通过热源的加热，般以半熔化状态沉积到工件表面上。重 熔是粉末或喷涂层在工件上的熔融过程。涂层重熔消除了喷涂层中的气孔和氧化 物夹渣，并与金属基体产生焊合的冶金结合面，从而大幅度提高了致密性和结合 强度，使涂层有更优良的耐腐蚀、耐磨损和抗冲击性能。 喷熔修形法是利用喷熔的上述优点，在焊缝表面覆盖一层冶金结合的高曲率 外形的且表面光滑的喷熔金属。这样可大大降低接头焊趾区应力集中程度，而且 其效果不存在因载荷条件的变化而有严重改变的问题，从而使焊接接头的疲劳强 度得到较大幅度的提高。 2 2 2 喷熔修形法制备试件 由于本实验是首次进行探索性的研究利用喷熔修形法来提高焊接接头的疲 劳强度，以验证该方法的可行性为主要目的。本实验拟选用操作简单、适应面广 的氧乙炔火焰喷焊法对焊缝表面进行修形处理，并选择两种典型的自熔性喷焊 合金粉末进行对比实验：镍基粉末和铁基粉末。 镍基自熔性合金具有优良的综合性能，耐腐蚀、抗氧化、耐热、耐低应力磨 粒磨损，韧性和耐冲击性较好，它具有优异的热喷涂、喷焊工艺性能7 0 1 。可用于 海洋采油平台、工业锅炉等要求比较苛刻的使用条件中。拟选用价格相对较低的 n i 6 0 合金粉末进行试验。 铁基自熔性合金适用于常温至4 0 0