提高焊接接頭疲勞性能的研究進(jìn)展和最新技術(shù)(文件)
【正文】 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。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。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。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。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。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，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。2) 噴丸噴丸是錘擊的另一種形式，也屬?zèng)_擊加工的方法。同時(shí)TIG熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。 低相變點(diǎn)焊條方法 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度原理和發(fā)展壓縮應(yīng)力可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，已有大量的文獻(xiàn)論述，然而問題是如何在焊接接頭中較方便的引入壓縮應(yīng)力。對(duì)于焊縫金屬來說，這將有利于殘余拉伸應(yīng)力的降低甚至出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。 近幾年，依靠Cr和Ni降低焊接材料熔敷金屬的馬氏體相變點(diǎn)，并由于超低碳鋼材的發(fā)展，低相變點(diǎn)焊條得到了快速的發(fā)展，日本和中國在這方面進(jìn)行了大量的研究，但目前仍然在實(shí)驗(yàn)室階段。表3 不同類型焊接接頭疲勞強(qiáng)度的改善效果焊條類型橫向?qū)咏宇^非承載十字接頭縱向環(huán)繞角焊縫接頭縱向平行角焊縫接頭縱向?qū)咏宇^E5015焊條LTTE焊條改善程度11%23%41%47%58%應(yīng)力集中程度輕度K1中等K2強(qiáng)烈K3特別強(qiáng)烈K4特別強(qiáng)烈K4拘束度眾所周知，焊接接頭疲勞斷裂主要從焊趾部位開裂，如果使焊接接頭的焊趾部位產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，則可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，而并不需要全部采用低相變點(diǎn)焊條，這樣可以降低使用成本。（4）LTTE焊條還可以用于焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復(fù)。相對(duì)而言，國內(nèi)外最新發(fā)展起來的超聲沖擊技術(shù)以及使用低相變點(diǎn)焊接材料來提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法是焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能改善技術(shù)與工藝的重要研究方向。但可以通過LTTEdressing等方法加以彌補(bǔ)。采用非承載十字接頭和縱向環(huán)繞角焊縫接頭兩種接頭類型，分別對(duì)比了低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修(LTTEdressing)和普通焊條焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，%%，證明了這一思路的可行性和實(shí)用性，為低相變點(diǎn)焊條LTTE更合理的在工程實(shí)際中應(yīng)用進(jìn)行了前期試驗(yàn)研究，同時(shí)低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修(LTTEdressing)接頭也可以反映低相變點(diǎn)焊條在蓋面焊縫和近焊趾蓋面焊道的應(yīng)用情況。（2）低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修（LTTEdressing）方法 然而，為使焊縫金屬在正常的冷卻速度下和在較低的溫度下發(fā)生馬氏體相變，焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點(diǎn)焊接材料的成本提高許多。（1）LTTE方法采用低相變點(diǎn)焊條LTTE和普通焊條E5015分別對(duì)橫向?qū)咏宇^、非承載十字接頭、縱向環(huán)繞角焊縫接頭、縱向平行角焊縫接頭和縱向?qū)咏宇^施焊，并進(jìn)行疲勞對(duì)比試驗(yàn)。早在60年代，前蘇聯(lián)焊接專家就提出了低相變點(diǎn)焊條方法能夠提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，但是當(dāng)時(shí)并沒有提出“低相變點(diǎn)焊條”的概念，只稱其為一種特殊焊條其堆焊金屬成分主要依靠34%的Mn含量來降低相變點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冶金相變。15223051SS800(R=) 對(duì)接30610116Mn (R=) 對(duì)接28588Q235B (R=)縱向角接對(duì)幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對(duì)接和非承載縱向角接頭實(shí)施超聲沖擊處理，然后進(jìn)行了焊態(tài)與沖擊處理的對(duì)比疲勞試驗(yàn)，研究了超聲沖擊法改善焊接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)際效果，對(duì)比結(jié)果見表2。同時(shí)，噴丸尺寸亦不應(yīng)過小，以保證一定的冷作硬化性能，噴丸一般可在表面上的千分之幾毫米的深度上發(fā)生作用。錘頭頂部應(yīng)為8~12mm直徑的實(shí)體材料。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。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。4) Gurnnert39。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。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。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。國際焊接學(xué)會(huì)最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2106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。但如果對(duì)焊趾處進(jìn)行局部磨削加工，其疲勞強(qiáng)度為177。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。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。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，最近國際焊接學(xué)會(huì)組織歐洲一些國家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國焊接研究所制備的試樣進(jìn)行了—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2106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。表1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的改善方法焊
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