超聲沖擊法提高低碳鋼焊接接頭疲勞強(qiáng)度的研究

孟凡鴻 王澤三 王振品

【摘 ?要】疲勞壽命的長短直接影響焊接節(jié)點(diǎn)的使用壽命，進(jìn)而影響工件或設(shè)備的使用年限，因此如何延長疲勞壽命的方法一直是焊接界的重點(diǎn)研究方向。提高焊接接頭的疲勞壽命可以從多方面入手，如：改善工藝技術(shù)，增加母材厚度，改變接頭設(shè)計等。本研究分析了當(dāng)書面工藝獲得工程師批準(zhǔn)后，通過調(diào)整關(guān)鍵性的焊縫外觀細(xì)節(jié)來提高焊接接頭疲勞壽命的方法。

【關(guān)鍵詞】焊接接頭;疲勞極限;超高周疲勞;超聲沖擊處理

中圖分類號：TG405 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

結(jié)構(gòu)鋼母材及其對接接頭在超高周壽命區(qū)間還會發(fā)生斷裂，不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限;而十字接頭在超高周壽命區(qū)間存在疲勞極限。觀察焊接接頭的斷口，可以發(fā)現(xiàn)焊接接頭試樣在低周疲勞區(qū)大多在焊接接頭結(jié)合處發(fā)生疲勞斷裂，而在高周疲勞區(qū)多發(fā)生在焊接熱影響區(qū)處。通過超聲沖擊對焊接接頭處理，可以明顯地消除焊接接頭的焊趾上的缺陷，改善應(yīng)力集中，從而提高焊接接頭的超高周疲勞性能。

1、概述

焊接接頭承受靜載的能力一般不低于母材，但由于接頭應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力等因素其承受交變動載荷的能力與母材相差甚遠(yuǎn)，是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。疲勞斷裂是接頭失效的主要形式，因此采取有效工藝提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度是十分重要的。錘擊、噴丸處理是目前改善焊接接頭疲勞性能最為普遍的方法.但普通錘擊法效率低、噪聲大、可控性差且勞動強(qiáng)度大、效果不穩(wěn)定;噴丸處理設(shè)備龐大、不適合野外和高空作業(yè)，安全防護(hù)和丸?；厥沾嬖诤艽髥栴}。超聲沖擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧、使用靈活方便、效率高、噪音小、成本低、適用性強(qiáng)。超聲沖擊提高疲勞強(qiáng)度在低應(yīng)力比下已被廣泛應(yīng)用，目前在高應(yīng)力比下，超聲沖擊改善疲勞強(qiáng)度的機(jī)理研究尚未深入。通常情況構(gòu)件服役之前使用超聲沖擊技術(shù)對焊接接頭實(shí)施處理，對處于承載狀態(tài)采用超聲沖擊方法改善其焊接接頭疲勞性能機(jī)理的研究在國內(nèi)外還很少。因此，研究超聲沖擊在承載狀態(tài)、高應(yīng)力比加載條件下改善焊接接頭疲勞性能對于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用有重大的意義。文中對比超聲沖擊在非承載、承載狀態(tài)下提高疲勞強(qiáng)度的能力，并對承載沖擊提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

2、提高焊接接頭耐疲勞性的原理

LTT焊接材料是利用焊接后焊縫金屬冷卻過程中的相變膨脹，緩解焊接后產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力的材料。使用普通焊接材料焊接時，焊縫金屬在700℃以上的高溫區(qū)發(fā)生相變，相變后的焊縫金屬的熱收縮受到母材的拘束，產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。而LTT焊接材料的相變開始溫度在500℃以下，焊縫金屬的相變膨脹一直持續(xù)到接近室溫，所以焊后焊縫金屬的殘余應(yīng)力是很小的拉伸應(yīng)力或是壓縮應(yīng)力。關(guān)于鋼鐵材料馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms點(diǎn)）已經(jīng)進(jìn)行了許多研究。（1）式是馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度公式。Ms=529-382×（%C）-31×（%Mn）-18×（%Ni）-9×（%Mo）-5×（%V）-33x（%C）×（%Cr）（1）從（1）式可知，添加C、Mn、Ni可以降低焊縫金屬的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度。過去開發(fā)出的LTT焊接材料的主要添加元素Ni含量約為10%，使焊縫金屬轉(zhuǎn)變溫度下降到200℃以下。Ni雖然對于降低焊縫金屬轉(zhuǎn)變溫度有效，但使焊縫金屬的抗熱裂性下降并使焊縫金屬強(qiáng)度過度升高，以及焊接材料成本增加。這些都影響了LTT焊接材料的實(shí)用化。本研究用可以降低馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度的Mn替代Ni，開發(fā)出新型的LTT焊接材料。

3、附加焊接法

LTT焊接材料的成分使得焊縫金屬具有高強(qiáng)度、高韌性，可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，但存在著焊接區(qū)脆性斷裂和延遲斷裂的可能性。因此僅簡單地用LTT焊接材料替代傳統(tǒng)焊接材料不能提高焊接接頭的力學(xué)性能。為此，神戶制鋼開發(fā)出用于LTT焊接材料的焊接方法。設(shè)計規(guī)范將十字焊接接頭和角撐板焊接接頭等角焊的焊趾確定為容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、成為斷裂起點(diǎn)的部位。采用LTT焊接材料將可以提高這些部位的疲勞強(qiáng)度。但是，，在橫板和縱板交叉部位進(jìn)行角焊這樣的部分熔透焊接（以下稱為主焊接、主焊道）時，在焊趾和焊根會產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。因此，將LTT焊接材料用于主焊縫時，存在著發(fā)生焊根裂紋，甚至鋼結(jié)構(gòu)有脆性斷裂的危險。為防止這些問題的發(fā)生，主焊道使用傳統(tǒng)的490MPa級鋼用焊接材料，焊接成良好的焊接接頭，用LTT焊接材料在主焊道焊趾進(jìn)行堆焊，用來緩解主焊道焊趾的拉伸殘余應(yīng)力。這種焊接方法叫做附加焊接法。采用附加焊接法增加了焊縫的厚度和長度，緩解了宏觀應(yīng)力集中。

4、超聲沖擊處理對焊接接頭超高周疲勞性能的影響

超聲沖擊處理是一種效率很高的焊接接頭表面改性技術(shù)，主要原理是消除零件表面有害的拉應(yīng)力，引進(jìn)有益的壓應(yīng)力。超聲沖擊設(shè)備的工作原理是通過大功率的能量使沖擊頭以20kHz的頻率作用在金屬表面，在高能量、高頻率的作用下，金屬表面會產(chǎn)生比較大的彈塑性變形;同時使金屬表面應(yīng)力場發(fā)生了改變，引進(jìn)了有益的壓應(yīng)力;高能量使金屬表面產(chǎn)生很高的熱量，然后又迅速冷卻，使金屬表面的組織發(fā)生改變，強(qiáng)化了受沖擊部位。超聲沖擊對SMA490BW鋼對接接頭超高周勞性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在108循環(huán)周次下，超聲沖擊態(tài)的焊接接頭的疲勞強(qiáng)度為195MPa，而焊態(tài)接頭為141MPa，相比之下提高了38.3%;在相同的應(yīng)力水平下，超聲沖擊態(tài)的壽命也比焊態(tài)的高。超聲沖擊對轉(zhuǎn)向架焊接十字接頭表層組織及超高周疲勞性能的影響，結(jié)果表明，隨著循環(huán)周次的提高，超聲沖擊對提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的效果越來越顯著。超聲沖擊對Q235鋼和16Mn鋼焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：與107周次相比，在109周次時，Q235鋼和16Mn鋼原始焊態(tài)的疲勞強(qiáng)度分別下降了61.1%和60.4%，而Q235鋼和16Mn鋼超聲沖擊態(tài)的疲勞強(qiáng)度分別下降了32.1%和41.0%，明顯地提高了疲勞強(qiáng)度。劉永杰等[18]研究了Q345鋼焊接接頭超高周疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，在107循環(huán)周次下，焊態(tài)接頭的疲勞強(qiáng)度為175.7MPa，經(jīng)過一次噴丸處理后，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度為198.5MPa，提高了12.9%;經(jīng)過加強(qiáng)噴丸后，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度為224.2MPa，提高了27.3%。由此可見，噴丸也可以提高焊接接頭超高周疲勞強(qiáng)度。超聲沖擊改善焊接接頭的疲勞性能主要是有兩方面的原因，一是在焊趾部位形成殘余應(yīng)力，二是改善了焊趾的幾何外形，增加了焊趾區(qū)的過渡半徑，降低了焊接接頭的應(yīng)力集中。王東坡等[30]研究超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的機(jī)理，主要從降低焊趾區(qū)的應(yīng)力集中、改善焊趾區(qū)的幾何外形、減少焊趾區(qū)的缺陷及焊趾區(qū)的材質(zhì)硬化、在焊趾區(qū)表面引入較大的殘余壓應(yīng)力等幾方面分析，結(jié)果表明，通過增大焊趾區(qū)的過渡半徑，可以實(shí)現(xiàn)降低焊接接頭的應(yīng)力集中的效果;超聲沖擊處理可以改善焊趾的幾何外形，使焊趾區(qū)的材質(zhì)硬化及在焊趾區(qū)表面形成壓應(yīng)力，降低了應(yīng)力循環(huán)比，使得焊趾區(qū)的幾何外形得到改善，提高了疲勞強(qiáng)度。超聲沖擊處理和噴丸處理提高焊接接頭的超高周疲勞性能主要是經(jīng)過超聲沖擊處理和噴丸處理可以明顯地消除焊接接頭焊趾上的缺陷，改善應(yīng)力集中，還可以在表面形成殘余應(yīng)力，同時也使得裂紋源從表面萌生轉(zhuǎn)變?yōu)閺拇伪砻婷壬_(dá)到延長焊接接頭的壽命。

結(jié)束語

焊接接頭承受靜載的能力一般不低于母材，但由于接頭應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力等因素其承受交變動載荷的能力與母材相差甚遠(yuǎn)，是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié).疲勞斷裂是接頭失效的主要形式，因此采取有效工藝提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度是十分重要的。

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（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）