焊接殘余應(yīng)力對高頻機(jī)械沖擊處理焊接結(jié)構(gòu)疲勞行為的影響

摘" " 要：利用高頻機(jī)械沖擊處理裝置對Q355鋼縱向角接接頭進(jìn)行處理，研究了殘余應(yīng)力對焊接接頭疲勞性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高頻機(jī)械沖擊處理可顯著提高接頭的疲勞壽命，而消應(yīng)力+高頻機(jī)械沖擊復(fù)合處理則會大幅度改善焊接接頭的疲勞性能。對比焊態(tài)接頭特征疲勞強(qiáng)度（FAT），在含焊接殘余應(yīng)力條件下直接進(jìn)行沖擊處理，接頭的FAT提高了143.9%，而復(fù)合處理的FAT提高了210.3%。焊態(tài)和高頻機(jī)械沖擊態(tài)接頭的疲勞裂紋源位于焊趾，而經(jīng)過焊后消應(yīng)力+高頻機(jī)械沖擊復(fù)合處理的接頭，其斷裂位置轉(zhuǎn)移至母材。

關(guān)鍵詞：焊接接頭；高頻機(jī)械沖擊；焊接殘余應(yīng)力；過載消應(yīng)力；疲勞性能

Effect of welding residual stress on fatigue behavior of welded structures treated by high-frequency mechanical impact

YUAN Lei JI Chengming LI Qiangsheng GAO Zhiwei

1. CNPC Offshore Engineering （Qingdao） Co.， Ltd.， Qingdao 266555， China

2. Tianjin University， Tianjin 300072， China

Abstract：The influence of residual stress on the fatigue properties of the welded joint is studied by treating the longitudinal corner joint of Q355 steel with a high-frequency mechanical impact （HFMI） device. The results show that HFMI treatment can significantly improve the fatigue life of welded joints and that a combined treatment of stress relief and HFMI can considerably improve their fatigue properties. In terms of the characteristic fatigue strength （FAT） of as-welded joints， in comparison， the FAT of joints directly treated with HFMI under the condition of welding residual stress increased by 143.9%， while FAT of joints with a combined treatment increased by 210.3%. While fatigue crack of as-welded and HFMI joints initially occurred at the weld toes， the location changed to the base material for welded joints treated with combined treatment.

Keywords：welding joint; high-frequency mechanical impact; welding residual stress; overload stress relief; fatigue performance

焊接殘余應(yīng)力對焊接接頭和構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度有著重要影響[1-6]。高頻機(jī)械沖擊處理技術(shù)作為一種新型的疲勞延壽技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對其做了大量的研究工作，并且已成功應(yīng)用于工程生產(chǎn) [7-9]。焊接殘余應(yīng)力作為影響焊接接頭疲勞性能的關(guān)鍵因素，目前關(guān)于焊接殘余應(yīng)力對高頻機(jī)械沖擊（High Frequency Mechanical Impact，HFMI）處理焊接接頭疲勞性能影響的研究較少，其影響機(jī)制對于指導(dǎo)實際焊接結(jié)構(gòu)工藝的應(yīng)用至關(guān)重要。因此，本文以非承載縱向角接接頭為研究對象，系統(tǒng)研究了焊態(tài)、HFMI處理態(tài)及消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理態(tài)的三組接頭的疲勞性能，并利用X射線測量了不同處理態(tài)的殘余應(yīng)力，分析殘余應(yīng)力的演變規(guī)律，揭示了焊接殘余應(yīng)力對高頻機(jī)械沖擊處理焊接接頭疲勞性能的影響機(jī)制，為高頻機(jī)械沖擊處理技術(shù)的試驗研究及其在實際焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1" " 試驗方法

1.1" " 試驗材料及接頭形式

試驗材料為Q355B鋼，焊接方法為藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，焊絲型號TME711、直徑1.2 mm，焊接接頭為縱向角接接頭。材料的基本力學(xué)性能和焊接工藝參數(shù)分別如表1和表2所示，試樣的幾何形狀與尺寸見圖1。

1.2" " 試樣的分組和處理方法

疲勞試驗包括焊態(tài)、HFMI處理態(tài)和消應(yīng)力+HFMI處理態(tài)。焊態(tài)試樣不做任何處理；HFMI處理態(tài)試樣是對接頭焊趾進(jìn)行沖擊處理；而消應(yīng)力+HFMI處理是將焊態(tài)試樣先進(jìn)行過載拉伸使接頭焊接殘余應(yīng)力發(fā)生釋放，然后再對焊趾進(jìn)行HFMI處理。HFMI處理工藝參數(shù)為：頻率17.9 kHz，工作振幅16 μm，沖擊速度40 mm/min，沖擊針直徑3 mm[10]。由于角接接頭端部焊縫是疲勞易破壞位置，所以對端部進(jìn)行處理，同時應(yīng)避免沖擊處理在端部焊縫起始或結(jié)束。經(jīng)沖擊處理后，焊接部位的幾何外形（過渡半徑和壓痕深度）達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。

1.3" " 疲勞試驗

高頻疲勞試驗在最大載荷為300 kN的高頻疲勞試驗機(jī)（GPS300）上進(jìn)行，應(yīng)力比R = 0.1。當(dāng)接頭焊接斷裂或者循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次，則停止疲勞試驗。對發(fā)生斷裂的疲勞試樣進(jìn)行觀察，確定疲勞裂紋源。

1.4" " 殘余應(yīng)力測試

利用便攜式PROTOIXRD-MG40型殘余應(yīng)力測試儀對不同處理態(tài)接頭的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。殘余應(yīng)力測試點位于距角接板端部焊趾約1～10 mm的區(qū)域。本文共測試6組試件的殘余應(yīng)力，包括焊態(tài)、過載消應(yīng)力處理態(tài)、HFMI處理態(tài)、過載消應(yīng)力+HFMI處理態(tài)、HFMI處理后拉伸至333 MPa（相當(dāng)于應(yīng)力范圍300 MPa的最大值）、過載消應(yīng)力+HFMI處理后試件拉伸至333 MPa。

2" " 試驗結(jié)果

2.1" " 疲勞試驗結(jié)果

根據(jù)國際焊接學(xué)會制定的統(tǒng)計方法對相應(yīng)疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，具體計算過程如下。

對于縱向角接接頭，焊態(tài)和HFMI處理態(tài)試樣的疲勞裂紋源均位于焊趾，而消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理態(tài)試樣的疲勞裂紋源均轉(zhuǎn)移至母材，具體結(jié)果見表3。按照疲勞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的統(tǒng)計方法，對疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其擬合結(jié)果見表4。根據(jù)式（5）和式（6）計算平均疲勞強(qiáng)度（50%存活率、循環(huán)次數(shù)為2 × 106 周次失效對應(yīng)的應(yīng)力范圍）和FAT（95%存活率、循環(huán)次數(shù)為2 × 106 周次失效對應(yīng)的應(yīng)力范圍），對比結(jié)果如表5所示。可以發(fā)現(xiàn)，焊接殘余應(yīng)力的存在，將直接影響到HFMI處理后接頭的疲勞強(qiáng)度。對比焊態(tài)接頭的平均疲勞強(qiáng)度和FAT，HFMI處理態(tài)接頭的平均疲勞強(qiáng)度和FAT分別提高137.8%和143.9%，而消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理態(tài)接頭的平均疲勞強(qiáng)度和FAT分別提高184.1%和210.3%。

2.2" nbsp; 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

不同處理態(tài)接頭橫向殘余應(yīng)力分布規(guī)律見圖3。由圖3（a）可知，經(jīng)過過載拉伸處理后，焊趾處的焊接殘余拉應(yīng)力發(fā)生釋放。經(jīng)HFMI處理后，接頭焊趾局部區(qū)域存在300 MPa左右的殘余壓應(yīng)力，而HFMI處理態(tài)試件經(jīng)333 MPa加載后，焊趾附近的壓縮應(yīng)力值減小，表明超聲沖擊處理的試件在最大載荷333 MPa作用下，壓應(yīng)力發(fā)生釋放，見圖3（b）。消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理的試件經(jīng)333 MPa加載前后，其橫向殘余應(yīng)力分布如圖3（c）所示，消應(yīng)力后再進(jìn)行HFMI處理的試件在焊趾處均為壓縮應(yīng)力，其殘余應(yīng)力分布規(guī)律與HFMI處理態(tài)試件相近 [12]。但是經(jīng)過333 MPa加載后，焊趾附近的殘余壓應(yīng)力釋放量較小，其殘余壓應(yīng)力仍然較高。

2.3" " 疲勞斷裂位置及斷口形貌

如圖4（a）和圖4（b）所示，焊態(tài)和HFMI處理態(tài)接頭疲勞斷裂疲勞試樣（焊趾處開裂）的宏觀斷口形貌基本相同，均從表面焊趾處起裂向母材擴(kuò)展。對于復(fù)合處理的接頭，其疲勞裂紋源轉(zhuǎn)移至母材，見圖4（c）。疲勞裂紋從母材過渡段邊緣處起裂并向母材內(nèi)部擴(kuò)展。由于焊態(tài)接頭的焊趾處存在較大的殘余拉應(yīng)力和應(yīng)力集中，因此，傾向于從焊趾處起裂；經(jīng)HFMI處理的接頭，由于在外加載荷作用下，焊趾處的殘余壓應(yīng)力發(fā)生明顯的釋放（如圖3（b）所示），加之焊趾處存在大的應(yīng)力集中，因此裂紋傾向于從焊趾起裂。而采用消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理的焊接接頭，由于焊接殘余拉應(yīng)力的釋放，HFMI引入的殘余壓應(yīng)力相對穩(wěn)定，不易發(fā)生釋放（如圖3（c）所示），從而抑制裂紋從焊趾起裂，而母材（過渡段）存在一定的應(yīng)力集中，在外加載荷作用下，增加母材起裂的風(fēng)險。最終的起裂位置取決于外加載荷作用下的焊趾處殘余應(yīng)力分布與母材局部應(yīng)力集中程度的競爭結(jié)果。

3" " 分析與討論

通過S-N曲線可以發(fā)現(xiàn)，相對于焊態(tài)接頭，HFMI處理可以顯著提高接頭的疲勞性能，并且在較低應(yīng)力范圍下，HFMI的改善效果愈加明顯。而相較于HFMI處理態(tài)，消應(yīng)力處理+HFMI復(fù)合處理接頭的疲勞壽命進(jìn)一步得到提升。對于焊態(tài)和HFMI處理態(tài)的接頭，疲勞裂紋源均位于焊趾；而消應(yīng)力+HFMI處理接頭，其疲勞裂紋源均轉(zhuǎn)移至母材，這表明對于消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理的試件，焊趾處的疲勞性能得到明顯改善，疲勞薄弱位置已從焊趾轉(zhuǎn)移到了母材位置，雖然消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理接頭的起裂源位于母材，但是從平均疲勞強(qiáng)度和FAT（如表5所示）也可以間接說明處理后的焊趾性能得到大幅度提高，通過焊后再高頻機(jī)械沖擊處理焊趾而改善疲勞性能的目標(biāo)已完全達(dá)到。

焊態(tài)試件殘余應(yīng)力測試結(jié)果（見圖3）表明，試件焊趾處存在殘余拉應(yīng)力，且焊趾處有明顯的應(yīng)力集中，因此裂紋優(yōu)先從焊趾處起裂。由圖3可知，HFMI處理的試件在加載后， 殘余壓應(yīng)力明顯釋放。受應(yīng)力集中且殘余壓應(yīng)力釋放的影響，HFMI處理試件的疲勞裂紋也由焊趾起裂。圖3表明，消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理后試件的殘余壓縮應(yīng)力在加載前后變化不明顯，焊趾局部區(qū)域仍然存在高值的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力與外加載荷的疊加小于母材處的應(yīng)力值，經(jīng)多次外加循環(huán)載荷作用，母材處的疲勞損傷更高，使得復(fù)合處理態(tài)接頭的斷裂位置轉(zhuǎn)移至母材。

綜上所述， 焊接殘余拉應(yīng)力的存在，會導(dǎo)致HFMI處理引入的殘余壓應(yīng)力在外加載荷作用下發(fā)生明顯釋放，降低HFMI處理改善接頭疲勞性能的效果。而經(jīng)過消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理后，接頭焊趾處的殘余壓應(yīng)力經(jīng)疲勞載荷作用后仍然穩(wěn)定存在，從而可以大幅度提高接頭的疲勞強(qiáng)度。

4" " 結(jié)論

1）對于縱向角接接頭，HFMI可提高接頭的疲勞壽命，經(jīng)消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理后，接頭的疲勞壽命得到進(jìn)一步提高。

2）焊接殘余應(yīng)力的存在直接影響HFMI處理改善疲勞性能的效果，對比焊態(tài)接頭的FAT，HFMI處理態(tài)的FAT提高了143.9%，而消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理的FAT提高了210.3%。

3）焊接殘余應(yīng)力影響疲勞裂紋的起裂位置，焊態(tài)和HFMI態(tài)試件均為焊趾起裂，消應(yīng)力+HFMI復(fù)合處理的疲勞起裂位置為母材。

4）在對實際焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行HFMI處理前，為提高HFMI處理的效果，應(yīng)先對焊接接頭進(jìn)行消應(yīng)力處理，以此提高焊接結(jié)構(gòu)服役時的疲勞性能。

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作者簡介

袁" " 雷（1986—），男，山東菏澤人，工程師，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，主要從事導(dǎo)管架，模塊建造及海上安裝。Email：yuanlei.cpoe@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-04-26