噴熔修形法提高焊接接頭疲勞強度的研究

1、噴熔修形法提高焊接接頭疲勞強度的研究郭文紅，王東坡，鄧彩艷（天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）摘 要： 本文給出了一種在國內(nèi)外都屬首創(chuàng)的提高焊接接頭疲勞強度的處理方法。焊接結(jié)構(gòu)中，接頭的疲勞強度遠遠低于母材，其疲勞裂紋主要起源于接頭焊趾處。本文采用Ni60和Fe28兩種合金粉末對Q235B 鋼非承載角焊縫橫向十字接頭焊趾處進行了噴熔修形處理，通過高頻疲勞試驗，結(jié)果表明，經(jīng)過噴熔修形處理后，Ni60噴熔修形態(tài)十字接頭的條件疲勞極限提高了78，F(xiàn)e38噴熔修形態(tài)十字接頭的條件疲勞極限提高了52。并用ANSYS 對三種狀態(tài)接頭焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)進行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ni60噴熔處理態(tài)十字

2、接頭焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)較原始焊態(tài)減小57.5；Fe38噴熔處理態(tài)十字接頭焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)較原始焊態(tài)減小37。關(guān)鍵詞：噴熔修形、疲勞強度、焊趾、應(yīng)力集中系數(shù)、火焰噴熔1. 引言焊接是鋼鐵材料一種最主要的連接方式。對于焊接接頭，承載靜載的能力一般不低于母材，但是承受交變載荷的能力卻與母材相差甚遠，使得一些焊接結(jié)構(gòu)因疲勞而過早失效。因此，在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中或完成后，采取有效的工藝措施提高接頭的疲勞強度意義重大1,2。提高焊接接頭疲勞強度的方法有很多 3，例如：TIG 熔修法、機械加工法、砂輪打磨法、預(yù)過載法、局部加熱法、錘擊法、噴丸法，以及近年來研究比較多的超生沖擊處理法和低相變點焊條法等，

3、但目前這些方法多數(shù)都仍停在實驗室階段，離工程實際應(yīng)用還有較大的距離。噴熔修形法是一種在國內(nèi)外都是首創(chuàng)的提高焊接接頭疲勞強度的新方法，為此，我們在這方面進行了探索研究。噴熔修形法的基本原理是通過在焊縫表面，特別是焊趾部位噴熔一層具有某種性能的合金，提高焊趾部位過渡的曲率半徑，降低焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)，提高焊接接頭的疲勞強度4。本文采用了Ni60和Fe38兩種合金粉末，用火焰噴熔的方法對Q235B 低碳鋼十字接頭的焊趾區(qū)進行噴熔處理，獲得焊趾區(qū)過渡圓滑的十字接頭，對噴熔處理的實際效果進行了研究。并用ANSYS 對三種狀態(tài)接頭焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)的降低情況進行了計算。2. 試驗用接頭試件的制備2.1

4、焊態(tài)非承載角焊縫十字接頭的制備材料選擇焊接結(jié)構(gòu)中最常用的Q235B 低碳鋼，利用二氧化碳保護焊進行焊接，焊接材料為H08Mn2SiA ，焊接規(guī)范：電壓20.1V ，電流180A 。為了防止和減少焊接試件出現(xiàn)角變形和扭曲變形，先用交叉固定的方法將橫向十字接頭固定，然后對稱焊接。焊后結(jié)果表明：除出現(xiàn)輕微的角變形外，未發(fā)現(xiàn)扭曲變形。2.2 噴熔修形處理首先要對試件表面進行打砂預(yù)處理，要求有一定的粗糙度，以提高焊接金屬與基材的結(jié)合能力，清除表面的氧化皮以提高噴熔的工藝性能。然后采用一步法，分別用Ni60和Fe38兩種合金粉末對焊縫進行噴熔處理，獲得焊趾區(qū)過渡圓滑的接頭，如圖1和圖2所示。 圖1 Ni6

5、0噴熔修形處理的試件 圖2 Fe38噴熔修形處理的試件3. 試驗結(jié)果與分析實驗在PLG-200C 型高頻拉壓實驗設(shè)備上進行，分焊態(tài)、Ni60噴熔修形態(tài)、Fe38噴熔修形態(tài)三組做試驗。載荷類型為拉拉載荷，循環(huán)比R 0.1。焊態(tài)的實驗結(jié)果如表1所示，Ni60噴熔修形態(tài)的實驗結(jié)果如表2所示，F(xiàn)e38噴熔修形態(tài)的實驗結(jié)果如表3所示。表1 Q235B十字接頭焊態(tài)高頻試驗結(jié)果試件編號 處理方式 疲勞壽命（×10）斷裂位置 應(yīng)力幅（MPa ）1 焊態(tài) 3.640 焊趾 126 2 焊態(tài) 2.607 焊趾 131 3 焊態(tài) 1.537 焊趾 135 4 焊態(tài) 0.816 焊趾 153 5焊態(tài)0.39

6、3焊趾189表2 鎳基合金粉末噴熔處理后十字接頭的高頻試驗結(jié)果試件編號處理方式 疲勞壽命（×10）斷裂位置 應(yīng)力幅（MPa ）1 鎳基噴熔 1.3 母材 253.8 2 鎳基噴熔 1.56 母材 243 3 鎳基噴熔 8.38 母材 225 4 鎳基噴熔 10 未斷裂 207 5 鎳基噴熔 0.175 母材 216 6 鎳基噴熔 1.029 母材 211.5 7 鎳基噴熔 6.39 未斷裂 216 8 鎳基噴熔 4.7 母材 234 9 鎳基噴熔 3.97 母材 234 10鎳基噴熔1.55母材243表3 鐵基合金粉末噴熔處理后十字接頭的高頻試驗結(jié)果試件編號處理方式 疲勞壽命（

7、15;10）斷裂位置應(yīng)力幅（MPa ）1 鐵基噴熔 1.06 焊趾 216 2 鐵基噴熔 0.76 焊趾 225 3 鐵基噴熔 0.929 焊趾 225 4 鐵基噴熔 0.587 焊趾 234 5 鐵基噴熔 0.321 焊趾 243 6鐵基噴熔0.304焊趾243三種處理方式接頭的S-N 放在一個圖中，如圖3所示。根據(jù)表1、表2、表3的相關(guān)試件實驗結(jié)果，分別確定三種狀態(tài)試件周次為2×106時的條件疲勞極限，結(jié)果列于表4。 圖3 十字接頭高頻疲勞實驗結(jié)果對比S-N 曲線表4 噴熔處理前后高周疲勞強度對比 噴熔合金類型噴熔處理態(tài)十字接頭疲勞強度（MPa ）焊態(tài)十字接頭疲勞強度（MPa ）

8、條件疲勞強度提高程度從S-N 曲線圖可以明顯看出，未經(jīng)過噴熔修形處理試件的疲勞壽命在相同應(yīng)力水平下，都遠低于經(jīng)過噴熔修形處理的試件；經(jīng)過Fe38噴熔修形處理的試件的疲勞壽命在相同應(yīng)力水平下，又都遠低于經(jīng)過Ni60噴熔修形處理的試件；在相同疲勞壽命下，噴熔處理的試件的疲勞強度均遠遠高于未經(jīng)處理的試件；在相同疲勞壽命下，經(jīng)過Ni60噴熔修形處理的試件的疲勞強度又遠遠高于經(jīng)過Fe38噴熔修形處理的試件。由表2可以看出，經(jīng)Ni60噴熔處理的試件均斷于母材，說明經(jīng)Ni60噴熔修形處理的試件的疲勞強度要高于母材，這是我們所希望看到的結(jié)果。對比三種狀態(tài)2×106的條件疲勞強度，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過噴熔修形處理

9、后，Ni60噴熔修形態(tài)十字接頭的條件疲勞極限提高了78，F(xiàn)e38噴熔修形態(tài)十字接頭的條件疲勞極限提高了52。4. 應(yīng)力集中系數(shù)的有限元計算建立三種處理狀態(tài)試件的有限元模型如圖46所示。焊態(tài)的焊趾過渡半徑采用文獻5的數(shù)據(jù)，噴熔修形態(tài)的焊趾過渡半徑的測量方法是：將試件的輪廓掃描后導(dǎo)入AutoCAD 中測量其過渡半徑。分別在不同的地方掃描后在AutoCAD 中測量并取其平均值，測量結(jié)果的平均值，Ni60的過渡半徑20mm ，F(xiàn)e38的過渡半徑6mm 。同時為了計算簡便，厚度簡化為1mm 。采用solid92實體單元，自由方式劃分網(wǎng)格。 圖4 焊態(tài)十字接頭模型圖 圖5 Ni60噴熔修形態(tài)十字接頭模型圖

10、 圖6 Fe38噴熔修形態(tài)十字接頭模型圖 圖7 焊態(tài)十字接頭的應(yīng)力云圖加載方式為：Y 方向上固定一個面，采取三向固定的方式，另一端施加應(yīng)力1MPa 的靜載荷。計算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖79所示。通過查詢各種處理狀態(tài)下的第四強度理論等效應(yīng)力值，計算三種情況下的應(yīng)力集中系數(shù)，列于表4.1中。由此可以看出：Ni60噴熔處理態(tài)十字接頭焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)較原始焊態(tài)減小57.5；Fe38噴熔處理態(tài)十字接頭焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)較原始焊態(tài)減小37。由此可見，噴熔修形法提高焊接接頭疲勞強度的機理是降低了接頭焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)。 圖8 Ni60噴熔修形態(tài)接頭的應(yīng)力云圖 圖9 Fe38噴熔修形態(tài)接頭的應(yīng)力云圖表5

11、根據(jù)有限元分析確定的應(yīng)力集中系數(shù)試件狀態(tài) 應(yīng)力集中節(jié)點號值應(yīng)力集中系數(shù)焊態(tài) Ni60噴熔態(tài) Fe38噴熔態(tài)5. 結(jié)論1. 對焊態(tài)、Ni60噴熔修形態(tài)、Fe38噴熔修形態(tài)三種試件進行高周疲勞試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原始焊態(tài)的2×106條件疲勞強度為136MPa ，Ni60噴熔處理十字接頭試件的2×106條件疲勞強度為243MPa ，比原始焊態(tài)提高78左右，F(xiàn)e38噴熔處理十字接頭試件的2×106條件疲勞強度為207MPa ，比原始焊態(tài)提高52左右。 2. 用ANSYS 模擬分析了三種情況下焊趾區(qū)應(yīng)力的分布云圖，得出了三種情況下的應(yīng)力集中系數(shù)，焊態(tài)的應(yīng)力集中系數(shù)為2.4613，Ni60噴熔態(tài)的應(yīng)力集中系數(shù)為1.0459，F(xiàn)e38噴熔態(tài)的應(yīng)力集中系數(shù)為1.5504。Ni60噴熔處理態(tài)十字接頭焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)較原始焊態(tài)減小57.5；Fe38噴熔處理態(tài)十字接頭焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)較原始焊態(tài)減小37。3. 噴熔修形法提高焊接接頭疲勞強度的原因是增加了焊趾區(qū)的過渡半徑，降低了焊趾區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)。參考文獻1 霍立興焊接結(jié)構(gòu)的工程強度，北京：機械工業(yè)出版社，1995，1542 霍