喷熔修形法提高焊接接头疲劳强度的研究

1、喷熔修形法提高焊接接头疲劳强度的研究郭文红，王东坡，邓彩艳（天津大学材料科学与工程学院，天津 300072）摘 要： 本文给出了一种在国内外都属首创的提高焊接接头疲劳强度的处理方法。焊接结构中，接头的疲劳强度远远低于母材，其疲劳裂纹主要起源于接头焊趾处。本文采用Ni60和Fe28两种合金粉末对Q235B 钢非承载角焊缝横向十字接头焊趾处进行了喷熔修形处理，通过高频疲劳试验，结果表明，经过喷熔修形处理后，Ni60喷熔修形态十字接头的条件疲劳极限提高了78，Fe38喷熔修形态十字接头的条件疲劳极限提高了52。并用ANSYS 对三种状态接头焊趾处应力集中系数进行计算，结果发现，Ni60喷熔处理态十字

2、接头焊趾区的应力集中系数较原始焊态减小57.5；Fe38喷熔处理态十字接头焊趾区的应力集中系数较原始焊态减小37。关键词：喷熔修形、疲劳强度、焊趾、应力集中系数、火焰喷熔1. 引言焊接是钢铁材料一种最主要的连接方式。对于焊接接头，承载静载的能力一般不低于母材，但是承受交变载荷的能力却与母材相差甚远，使得一些焊接结构因疲劳而过早失效。因此，在焊接结构制造过程中或完成后，采取有效的工艺措施提高接头的疲劳强度意义重大1,2。提高焊接接头疲劳强度的方法有很多 3，例如：TIG 熔修法、机械加工法、砂轮打磨法、预过载法、局部加热法、锤击法、喷丸法，以及近年来研究比较多的超生冲击处理法和低相变点焊条法等，

3、但目前这些方法多数都仍停在实验室阶段，离工程实际应用还有较大的距离。喷熔修形法是一种在国内外都是首创的提高焊接接头疲劳强度的新方法，为此，我们在这方面进行了探索研究。喷熔修形法的基本原理是通过在焊缝表面，特别是焊趾部位喷熔一层具有某种性能的合金，提高焊趾部位过渡的曲率半径，降低焊趾区的应力集中系数，提高焊接接头的疲劳强度4。本文采用了Ni60和Fe38两种合金粉末，用火焰喷熔的方法对Q235B 低碳钢十字接头的焊趾区进行喷熔处理，获得焊趾区过渡圆滑的十字接头，对喷熔处理的实际效果进行了研究。并用ANSYS 对三种状态接头焊趾处应力集中系数的降低情况进行了计算。2. 试验用接头试件的制备2.1

4、焊态非承载角焊缝十字接头的制备材料选择焊接结构中最常用的Q235B 低碳钢，利用二氧化碳保护焊进行焊接，焊接材料为H08Mn2SiA ，焊接规范：电压20.1V ，电流180A 。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。2.2 喷熔修形处理首先要对试件表面进行打砂预处理，要求有一定的粗糙度，以提高焊接金属与基材的结合能力，清除表面的氧化皮以提高喷熔的工艺性能。然后采用一步法，分别用Ni60和Fe38两种合金粉末对焊缝进行喷熔处理，获得焊趾区过渡圆滑的接头，如图1和图2所示。 图1 Ni6

5、0喷熔修形处理的试件 图2 Fe38喷熔修形处理的试件3. 试验结果与分析实验在PLG-200C 型高频拉压实验设备上进行，分焊态、Ni60喷熔修形态、Fe38喷熔修形态三组做试验。载荷类型为拉拉载荷，循环比R 0.1。焊态的实验结果如表1所示，Ni60喷熔修形态的实验结果如表2所示，Fe38喷熔修形态的实验结果如表3所示。表1 Q235B十字接头焊态高频试验结果试件编号 处理方式 疲劳寿命（×10）断裂位置 应力幅（MPa ）1 焊态 3.640 焊趾 126 2 焊态 2.607 焊趾 131 3 焊态 1.537 焊趾 135 4 焊态 0.816 焊趾 153 5焊态0.39

6、3焊趾189表2 镍基合金粉末喷熔处理后十字接头的高频试验结果试件编号处理方式 疲劳寿命（×10）断裂位置 应力幅（MPa ）1 镍基喷熔 1.3 母材 253.8 2 镍基喷熔 1.56 母材 243 3 镍基喷熔 8.38 母材 225 4 镍基喷熔 10 未断裂 207 5 镍基喷熔 0.175 母材 216 6 镍基喷熔 1.029 母材 211.5 7 镍基喷熔 6.39 未断裂 216 8 镍基喷熔 4.7 母材 234 9 镍基喷熔 3.97 母材 234 10镍基喷熔1.55母材243表3 铁基合金粉末喷熔处理后十字接头的高频试验结果试件编号处理方式 疲劳寿命（

7、15;10）断裂位置应力幅（MPa ）1 铁基喷熔 1.06 焊趾 216 2 铁基喷熔 0.76 焊趾 225 3 铁基喷熔 0.929 焊趾 225 4 铁基喷熔 0.587 焊趾 234 5 铁基喷熔 0.321 焊趾 243 6铁基喷熔0.304焊趾243三种处理方式接头的S-N 放在一个图中，如图3所示。根据表1、表2、表3的相关试件实验结果，分别确定三种状态试件周次为2×106时的条件疲劳极限，结果列于表4。 图3 十字接头高频疲劳实验结果对比S-N 曲线表4 喷熔处理前后高周疲劳强度对比 喷熔合金类型喷熔处理态十字接头疲劳强度（MPa ）焊态十字接头疲劳强度（MPa ）

8、条件疲劳强度提高程度从S-N 曲线图可以明显看出，未经过喷熔修形处理试件的疲劳寿命在相同应力水平下，都远低于经过喷熔修形处理的试件；经过Fe38喷熔修形处理的试件的疲劳寿命在相同应力水平下，又都远低于经过Ni60喷熔修形处理的试件；在相同疲劳寿命下，喷熔处理的试件的疲劳强度均远远高于未经处理的试件；在相同疲劳寿命下，经过Ni60喷熔修形处理的试件的疲劳强度又远远高于经过Fe38喷熔修形处理的试件。由表2可以看出，经Ni60喷熔处理的试件均断于母材，说明经Ni60喷熔修形处理的试件的疲劳强度要高于母材，这是我们所希望看到的结果。对比三种状态2×106的条件疲劳强度，发现经过喷熔修形处理

9、后，Ni60喷熔修形态十字接头的条件疲劳极限提高了78，Fe38喷熔修形态十字接头的条件疲劳极限提高了52。4. 应力集中系数的有限元计算建立三种处理状态试件的有限元模型如图46所示。焊态的焊趾过渡半径采用文献5的数据，喷熔修形态的焊趾过渡半径的测量方法是：将试件的轮廓扫描后导入AutoCAD 中测量其过渡半径。分别在不同的地方扫描后在AutoCAD 中测量并取其平均值，测量结果的平均值，Ni60的过渡半径20mm ，Fe38的过渡半径6mm 。同时为了计算简便，厚度简化为1mm 。采用solid92实体单元，自由方式划分网格。 图4 焊态十字接头模型图 图5 Ni60喷熔修形态十字接头模型图

10、 图6 Fe38喷熔修形态十字接头模型图 图7 焊态十字接头的应力云图加载方式为：Y 方向上固定一个面，采取三向固定的方式，另一端施加应力1MPa 的静载荷。计算结果的应力云图如图79所示。通过查询各种处理状态下的第四强度理论等效应力值，计算三种情况下的应力集中系数，列于表4.1中。由此可以看出：Ni60喷熔处理态十字接头焊趾区的应力集中系数较原始焊态减小57.5；Fe38喷熔处理态十字接头焊趾区的应力集中系数较原始焊态减小37。由此可见，喷熔修形法提高焊接接头疲劳强度的机理是降低了接头焊趾区的应力集中系数。 图8 Ni60喷熔修形态接头的应力云图 图9 Fe38喷熔修形态接头的应力云图表5

11、根据有限元分析确定的应力集中系数试件状态 应力集中节点号值应力集中系数焊态 Ni60喷熔态 Fe38喷熔态5. 结论1. 对焊态、Ni60喷熔修形态、Fe38喷熔修形态三种试件进行高周疲劳试验，结果发现原始焊态的2×106条件疲劳强度为136MPa ，Ni60喷熔处理十字接头试件的2×106条件疲劳强度为243MPa ，比原始焊态提高78左右，Fe38喷熔处理十字接头试件的2×106条件疲劳强度为207MPa ，比原始焊态提高52左右。 2. 用ANSYS 模拟分析了三种情况下焊趾区应力的分布云图，得出了三种情况下的应力集中系数，焊态的应力集中系数为2.4613，Ni60喷熔态的应力集中系数为1.0459，Fe38喷熔态的应力集中系数为1.5504。Ni60喷熔处理态十字接头焊趾区的应力集中系数较原始焊态减小57.5；Fe38喷熔处理态十字接头焊趾区的应力集中系数较原始焊态减小37。3. 喷熔修形法提高焊接接头疲劳强度的原因是增加了焊趾区的过渡半径，降低了焊趾区的应力集中系数。参考文献1 霍立兴焊接结构的工程强度，北京：机械工业出版社，1995，1542 霍