提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術

1、提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術 天津大學材料科學與工程學院 霍立興 王東坡 王文先 1 1焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題以及研究意義焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題以及研究意義 1.11.1 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題 自從 20 世紀初涂藥焊條發(fā)明至今一百年來，焊接已經(jīng)成為應用最為廣泛的工藝方 法，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應用規(guī)模和多樣化方面能與焊接相比的工藝，以 至于當代許多最重要的技術問題必須采用焊接才能解決，例如：造船、鐵路、汽車、航空、 航天、橋梁、鍋爐、大型廠房和高層建筑等都離不開焊接技術的支持。如果焊接沒有發(fā)明 的話，許多結(jié)構(gòu)甚至坦率的說

2、整個工業(yè)是不會產(chǎn)生的。毋庸置疑，目前在工程生產(chǎn)上，焊 接是最主要的連接方法，焊接結(jié)構(gòu)的重量已占鋼鐵總產(chǎn)量的 50%以上，工業(yè)發(fā)達國家的這 一比例已經(jīng)接近 70%。然而焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故，其中 90%為疲勞失效。 疲勞破壞一直被認為是船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的一種主要的破壞形式，自鋼質(zhì)海船誕生 至今，因結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的生成、擴展，最后導致船舶破壞的事例屢有報道。美國海岸警 衛(wèi)隊船舶結(jié)構(gòu)委員會(Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard)曾組織力量對六種不同類型 的 77 艘民用船舶及 9 艘軍艦中六十多萬個結(jié)構(gòu)細部進行了調(diào)查研究和統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，

3、有約九分之一的破壞與疲勞有關。歷史上海洋平臺的幾次重大事故，如 1965 年日本為美國 建造的 Sedco 型半潛式平臺在交貨途中破損沉沒，造成 13 人死亡；1980 年 Alexan derKeyland 號半潛式平臺在北海翻沉，使一百余人葬身海底，調(diào)查分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu) 的疲勞是造成事故的重要原因之一。 同樣，疲勞失效也頻繁發(fā)生在鐵路公路橋梁和發(fā)電站的管道上。在五六十年代，歐洲 公路網(wǎng)得到高速發(fā)展，當時大多采用焊接技術建造鋼橋，由于那時對公路橋梁疲勞認識不 足，在規(guī)范中沒有規(guī)定進行抗疲勞設計，出現(xiàn)了許多設計不合理的焊接接頭，在今天日益 繁忙和加重的交通運輸載荷下，加快了疲勞損傷過程，許

4、多焊接鋼橋出現(xiàn)了疲勞裂紋。 在我國焊接結(jié)構(gòu)因疲勞問題而失效的工程事例也不斷出現(xiàn)，例如，九十年代末，高速 客車轉(zhuǎn)向架中焊接接頭的疲勞斷裂，以及水輪機葉片根部的疲勞斷裂等，都給國家和企業(yè) 造成了巨大的經(jīng)濟損失。 1.21.2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個方面： 客觀上講，焊接接頭的靜載承受 能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接 頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過早失效的 一個主要的因素； 早期的焊接結(jié)構(gòu)設計以靜載強度設計為主，沒有考慮抗疲勞設計，或 者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設

5、計規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來設計不合理的焊接接頭； 工程設計技術人員對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點了解不夠，所設計的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬 其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設計準則與結(jié)構(gòu)形式； 焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設計和制造過程中 人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導致焊接結(jié)構(gòu)的設計載荷越來越大； 焊接結(jié)構(gòu) 有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對焊接結(jié)構(gòu)承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結(jié)構(gòu) 疲勞強度方面的科研水平相對滯后。 1.31.3 提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能方法的研究意義提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能方法的研究意義 疲勞事故的頻繁發(fā)生在一定程度上制約了焊接結(jié)構(gòu)的進一步廣泛應用，使一些場合不 得不放棄使用焊接結(jié)構(gòu)，甚至

6、懷疑焊接結(jié)構(gòu)能否適用于承受動載的工程實際，故而焊接結(jié) 構(gòu)的抗疲勞問題引起國內(nèi)外有關專家和工程技術人員，尤其是國際焊接學會疲勞專業(yè)委員 會的普遍關注。在大量疲勞試驗與工程實踐的基礎上，焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設計規(guī)范不斷出臺， 如英國橋梁疲勞設計規(guī)范 BS5400、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會的疲勞設計規(guī)范、日本的鋼橋設計規(guī)范、 美國鐵路橋梁以及高速公路設計規(guī)范、國際焊接學會的循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設計規(guī) 范 IIW.DOC-639-8l 以及我國的鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 GB-17-88。世界各主要造船及海洋資源開 發(fā)國家，都在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的設計建造和檢驗入級規(guī)范中對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度作 出了規(guī)定和要求。 由于焊接接

7、頭焊趾處的焊接缺陷、應力集中和殘余拉伸應力的作用，其疲勞強度大幅 度地低于基本金屬的疲勞強度。所以焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度取決于接頭的疲勞性能，即焊接 接頭的抗疲勞性能，關系著焊接結(jié)構(gòu)能否安全使用。因此為了保證焊接結(jié)構(gòu)可靠性，在設 計承受交變動載荷的焊接結(jié)構(gòu)時，設計規(guī)范規(guī)定以焊接接頭的疲勞強度作為整體結(jié)構(gòu)的疲 勞強度，而不采用基本金屬的疲勞強度，顯然這造成極大浪費。即使如此，在接頭處局部 應力集中作用下，仍然會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的過早疲勞失效。為了使焊接結(jié)構(gòu)很好地滿足工程 上對其提出的承受動載的要求，能夠采取的措施主要有兩點。一方面，增加對焊接結(jié)構(gòu)抗 疲勞性能的了解，精心設計結(jié)構(gòu)形式及接頭形式，使所設計的

8、焊接結(jié)構(gòu)更合理，具有更高 的疲勞強度；同時提高和嚴格控制焊接質(zhì)量，防止和減少焊接缺陷的產(chǎn)生；另一方面，直 接面對焊接接頭疲勞性能較差的弱點，在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中、完成后以及使用過程中采 取有效的工藝措施，提高接頭的疲勞強度，增加其承受動載的能力、延長其使用壽命。 因此提高和改善焊接接頭疲勞強度具有極大的潛在經(jīng)濟效益和社會效益，長期來，它 是國內(nèi)外有關專家研究的熱點課題。 2 2 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要因素影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要因素 2.12.1 靜載強度對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響靜載強度對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響 在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強度，即以較輕的自身重量去

9、承擔較大的負載重量，因為相同重量的結(jié)構(gòu)可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能 力可以減輕自身的重量。所以高強鋼應運而生，也具有較高的疲勞強度，基本金屬的疲勞 強度總是隨著靜載強度的增加而提高。 但是對于焊接結(jié)構(gòu)來說，情況就不一樣了，因為焊接接頭的疲勞強度與母材靜強度、 焊縫金屬靜強度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬強度匹配沒有多大的關系，也就是說 只要焊接接頭的細節(jié)一樣，高強鋼和低碳鋼的疲勞強度是一樣的，具有同樣的 S-N 曲線， 這個規(guī)律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox 研究了屈服點在 386636MPa 之間的碳錳鋼和用 6 種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞

10、裂紋擴展情況， 結(jié)果表明：材料的力學性能對裂紋擴展速率有一定影響，但影響并不大。在設計承受交變 載荷的焊接結(jié)構(gòu)時，試圖通過選用較高強度的鋼種來滿足工程需要是沒有意義的。只有在 應力比大于+0.5 的情況下，靜強度條件起主要作用時，焊接接頭母材才應采用高強鋼。 造成上述結(jié)果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷， 其厚度在 0.075mm-0.5mm，尖端半經(jīng)小于 0.015mm。該尖銳缺陷是疲勞裂紋開始的地方， 相當于疲勞裂紋形成階段，因而接頭在一定應力幅值下的疲勞壽命，主要由疲勞裂紋的擴 展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲勞強度，而

11、與母材及焊接材料的靜強度關系不大。 2.22.2 應力集中對疲勞強度的影響應力集中對疲勞強度的影響 2.2.12.2.1 接頭類型的影響接頭類型的影響 焊接接頭的形式主要有：對接接頭、十字接頭、T 形接頭和搭接接頭，在接頭部位由 于傳力線受到干擾，因而發(fā)生應力集中現(xiàn)象。 對接接頭的力線干擾較小，因而應力集中系數(shù)較小，其疲勞強度也將高于其他接頭形 式。但實驗表明，對接接頭的疲勞強度在很大范圍內(nèi)變化，這是因為有一系列因素影響對 接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、 焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會對其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對接 接頭由于墊板

12、處形成嚴重的應力集中，降低了接頭的疲勞強度。這種接頭的疲勞裂紋均從 焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲勞強度般與不帶墊板的最不佳 外形的對接接頭的疲勞強度相等。 十字接頭或 T 形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應用。在這種承力接頭中，由于在焊 縫向基本金屬過渡處具有明顯的截面變化，其應力集中系數(shù)要比對接接頭的應力集中系數(shù) 高，因此十字或 T 形接頭的疲勞強度要低于對接接頭。對未開坡口的用角焊縫連接的接頭 和局部熔透焊縫的開坡口接頭，當焊縫傳遞工作應力時，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個薄弱 環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對于開坡口焊透的的十字接頭，斷裂一 般只發(fā)生在焊趾處，

13、而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應力的 T 形和十字接頭的疲勞強度 主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應力集中，T 形接頭具有較高的疲勞強度，而十字 接頭的疲勞強度較低。提高 T 形或十字接頭疲勞強度的根本措施是開坡口焊接，并加工焊 縫過渡處使之圓滑過渡，通過這種改進措施，疲勞強度可有較大幅度的提高。 搭接接頭的疲勞強度是很低的，這是由于力線受到了嚴重的扭曲。采用所謂“加強” 蓋板的對接接頭是極不合理的，由于加大了應力集中影響，采用蓋板后，原來疲勞強度較 高的對接接頭被大大地削弱了。對于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在 焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長度，也會改變應力在基本金屬中

14、的分布，因此將要 影響接頭的疲勞強度，即隨著焊縫長度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強度增加，這 是因為應力在基本金屬中分布趨于均勻所致。 2.2.2 焊縫形狀的影響焊縫形狀的影響 無論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不 同，其應力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強度具有較大的分散性。 對接焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度影響最大。對接焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度影響最大。 (1) 過渡角的影響 Yamaguchi 等人建立了疲勞強度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角 (外鈍角)的關系。試驗中 W(焊縫寬度)和 h(高度)變化，但 h/W 比值保持不變。這意味著夾 角保持

15、不變，試驗結(jié)果表明，疲勞強度也保持不變。但如果 W 保持不變，變化參量 h，則 發(fā)現(xiàn) h 增加，接頭疲勞強度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。 (2) 焊縫過渡半徑的影響 Sander 等人的研究結(jié)果表明焊縫過渡半徑同樣對接頭疲勞強 度具有重要影響，即過渡半徑增加(過渡角保持不變)，疲勞強度增加。 角焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度也有較大的影響。角焊縫的形狀對于接頭的疲勞強度也有較大的影響。 當單個焊縫的計算厚度 a 與板厚 B 之比 a/B0.7 時，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對提高疲勞強度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。 因為焊縫尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強度，故充其量

16、亦不 能超過該處的疲勞強度。Soete，Van Crombrugge 采用 15mm 厚板用不同的角焊縫施焊，在 軸向疲勞載荷下的試驗發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為 13mm 時，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫 中。當焊縫的焊腳小于此值時，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當焊腳尺寸為 18mm 時斷裂發(fā)生 在基本金屬中。據(jù)此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B 式中 S 為焊腳尺寸，B 為板厚。可 見縱使焊腳尺寸達到板厚時(15mm)，仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)果符合 得很好。 2.2.3 焊接缺陷的影響焊接缺陷的影響 焊趾部位存在有大量不同類型的缺陷，這些不同類型的缺陷導致疲勞裂紋早期開裂和 使母材

17、的疲勞強度急劇下降（下降到 80%） 。焊接缺陷大體上可分作兩類：面狀缺陷(如裂 紋、未熔合等)和體積型缺陷（氣孔、夾渣等） ，它們的影響程度是不問的，同時焊接缺陷 對接頭疲勞強度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關。 1) 裂紋裂紋 焊接中的裂紋，如冷、熱裂紋，除伴有具有脆性的組織結(jié)構(gòu)外，是嚴重的應 力集中源，它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強度。早期的研究己表明，在寬 60mm、厚 12.7mm 的低碳鋼對接接頭試樣中，在焊縫中具有長 25mm、深 5.2mm 的裂紋時(它們約占 試樣橫截面積的 10%)，在交變載荷條件下，其 2106循環(huán)壽命的疲勞強度大約降低了 55%65%。 2) 未焊透

18、未焊透 應當說明，不一定把未焊透均認為是缺陷，因為有時人為地要求某些接頭 為周部焊透，典型的例子是某些壓力容器接管的設計。未焊透缺陷有時為表面缺陷（單面 焊縫） ，有時為內(nèi)部缺陷(雙面焊縫)，它可以是局部性質(zhì)的，也可以是整體性質(zhì)的其主要 影響足削弱截面積和引起應力集中。以削弱面積 10%時的疲勞壽命與未含有該類缺陷的試 驗結(jié)果相比，其疲勞強度降低了 25%，這意味著其影響不如裂紋嚴重。 3) 未熔合未熔合 由于試樣難以制備，至今有關研究極其稀少但是無可置疑，未熔合屬于 平面缺陷，因而不容忽視，一般將其和未焊透等同對待。 4) 咬邊咬邊 表征咬邊的主要參量有咬邊長度 L、咬邊深度 h、咬邊寬度

19、W。影響疲勞 強度的主要參量是咬邊深度 h，目前可用深度 h 或深度與板厚比值(h/B)作為參量評定接頭 疲勞強度。 5) 氣孔氣孔 為體積缺陷，Harrison 對前人的有關試驗結(jié)果進行了分析總結(jié)， 疲勞強度 下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成，它們之間有一定的線性關系。但是一些研究 表明，當采用機加工方法加工試樣表面，使氣孔處于表面上時，或剛好位于表面下方時， 氣孔的不利影響加大，它將作為應力集中源起作用，而成為疲勞裂紋的起裂點。這說明氣 孔的位置比其尺寸對接頭疲勞強度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。 6) 夾渣夾渣 IIW 的有關研究報告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對接

20、頭疲勞強度 影響要大。 通過上述介紹可見焊接缺陷對接頭疲勞強度的影響，不但與缺陷尺寸有關，而旦還決 定于許多其他因素，如表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大，與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響 比其它方向的大；位于殘余拉應力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應力區(qū)的大；位于應力集 中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應力場中同 樣缺陷影響大。 2.32.3 焊接殘余應力對疲勞強度的影響焊接殘余應力對疲勞強度的影響 焊接殘余應力是焊接結(jié)構(gòu)所特有的特征，因此，它對于焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響 是人們廣為關心的問題，為此人們進行了大量的試驗研究工作。試驗往往采用有焊接殘余 應力的試樣與經(jīng)過熱處理消除殘余應力后的試樣，進行疲勞

21、試驗作對比。由于焊接殘余應 力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，而熱處理在消除殘余應力的同時也 恢復或部分地恢復了材料的性能，同時也由于試驗結(jié)果的分散性，因此對試驗結(jié)果就產(chǎn)生 了不同的解釋，對焊接殘余應力的影響也就有了不同的評價。 試舉早期和近期一些人所進行的研究工作為例，可清楚地說明這一問題，對具有余高 的對接接頭進行的 2106次循環(huán)試驗結(jié)果，不同研究者得出了不同結(jié)論。有人發(fā)現(xiàn)：熱處 理消除應力試樣的疲勞強度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強度增加 12.5%；另有人則發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和 熱處理的試樣的疲勞強度是一致的，即差異不大；但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除殘余應力 后疲勞強度雖有增加，但增加值遠

22、低于 12.5%等等。對表面打磨的對接接頭試樣試驗結(jié)果 也是如此，即有的試驗認為，熱處理后可提高疲勞強度 17%，但也有的試驗結(jié)果說明，熱 處理后疲勞強度沒有提高等。這個問題長期來使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學者在交變 載荷下進行了一系列試驗，才逐漸澄清了這一問題。 其中最值得提出的是 Trufyakov 對在不同應力循環(huán)特征下焊接殘余應力對接頭疲勞強 度影響的研究。試驗采用 14Mn2 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，試樣上有一條橫向?qū)雍缚p，并在正 反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進行了消除殘余應力的熱處理，另一組未經(jīng)熱 處理。疲勞強度對比試驗采用三種應力循環(huán)特征系數(shù) r=-1, 0, +0.3。

23、 在交變載荷下(r=-1)， 消除殘余應力試樣的疲勞強度接近 130MPa，而未經(jīng)消除殘余應力的僅為 75MPa，在脈動 載荷下(r=0)，兩組試樣的疲勞強度相同，均為 185MPa。而當 r=0.3 時，經(jīng)熱處理消除殘余 應力的試樣疲勞強度為 260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的 主要原因是：在 r 值較高時，例如在脈動載荷下(r=0)，疲勞強度較高，在較高的拉應力作 用下，殘余應力較快地得到釋放，因此殘余應力對疲勞強度的影響就減弱；當 r 增大到 0.3 時，殘余應力在載荷作用下，進一步降低，實際上對疲勞強度已不起作用。而熱處理在消 除殘余應力的同時又軟化

24、了材質(zhì)，因而使得疲勞強度在熱處理后反而下降。這一試驗比較 好地說明了殘余應力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對疲勞強度的影響。從這里也可以看出 焊接殘余應力對接頭疲勞強度的影響與疲勞載荷的應力循環(huán)特性有關。即在循環(huán)特性值較 低時，影響比較大。 前面己指出，由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達到材料屈服點的殘余應力，因此在常幅施加應力 循環(huán)作用的接頭中，焊縫附近所承受的實際應力循環(huán)將是由材料的屈服點向下擺動，而不 管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標稱應力循環(huán)為+S1到-S2，則其應力范圍應為 S1+S2。 但接頭中的實際應力循環(huán)范圍將是由 Sy(屈服點的應力幅)到 Sy-(S1+S2)。這一點在研究焊 接接頭疲勞強度

25、時是非常重要的，它導致了一些設計規(guī)范以應力范圍代替了循環(huán)特征 r。 此外，在試驗過程中，試件的尺寸大小、加載方式、應力循環(huán)比、載荷譜也對疲勞強 度有很大的影響 3 3 改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的工藝方法改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的工藝方法 焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個部位，如果焊根部位的疲勞裂 紋啟裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接 接頭的疲勞強度， 減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；改善焊趾部位的幾何形狀降 低應力集中系數(shù)；調(diào)節(jié)焊接殘余應力場，產(chǎn)生殘余壓縮應力場。這些改進方法可以分為 兩大類，如表 1 所示。 焊接過程優(yōu)化方法不僅是針對提高焊

26、接結(jié)構(gòu)疲勞強度而考慮，同時對焊接結(jié)構(gòu)的靜載 強度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此不多贅述。 表表 1 1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的改善方法焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的改善方法 焊接缺欠的控制1 質(zhì)量控制 幾何形狀的改善2局部幾何形狀 工藝過程焊接順序3 殘余應力（0）焊趾冶金處理4 焊趾幾何形狀5 焊接過程 優(yōu)化 焊道造型 冶金和金屬狀態(tài)6 焊趾研磨7 機械加工 水沖擊8 TIG 熔修9 局部幾何形狀 局部重熔 等離子熔修10 熱處理11 力學處理12應力釋放方法 局部加熱13 噴丸14 錘擊15力學接觸 超聲沖擊16 沖壓17 焊 接 結(jié) 構(gòu) 疲 勞 強 度 的 改 善 方

27、法 焊縫的 改善 殘余應力 力學方法 焊接 局部壓縮18 下面從工藝方法角度考慮分三部分詳細論述改善焊接接頭疲勞強度的主要方法。 3.1 改善焊趾幾何形狀降低應力集中的方法改善焊趾幾何形狀降低應力集中的方法 1)1) TIGTIG 熔修熔修 國內(nèi)外的研究均表明，TIG 熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強度，這種方法是用鎢 極氬弧焊方法在焊接接頭的過渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡。減 少了應力集中，同時也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強度提 高。 熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位 0.51.5mm 處，并要保持重熔部位潔凈，如果 事先配以輕微打磨效果更佳。

28、重要的是重熔中發(fā)生熄弧時，如何處理重新起弧的方法，因 為這勢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，最近國際焊接學會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行了些改善接頭疲勞強度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實經(jīng)該方法 處理后該接頭的 2106循環(huán)下的標稱疲勞強度提高 58%，如果將得到的 211MPa 的疲勞強 度標稱值換算成相應的特征值(K 指標) 為 144MPa。它己高出國際焊學會的接頭細節(jié)疲勞 強度中的最高的 FAT 值。 2) 機械加工機械加工 若對焊縫表面進行機械加工，應力集中程度將大大減少，對接接頭的疲勞

29、強度也相應 提高，當焊縫不存在缺陷時，接頭的疲勞強度可高于基本金屬的疲勞強度。但是這種表面 機械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。 而帶有嚴重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應力集中要比焊縫表面的應力集 中嚴重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無意義的。如果存有未焊透缺陷， 因為疲勞裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺 陷存在的情況下，機加工反而往往會降低接頭疲勞強度。 有時不用對整體焊縫金屬進行機加工，而只需對焊趾處采用機械加工磨削處理，這種 做法亦能大幅度提高接頭疲勞強度。研究表明，在這種情況下，

30、起裂點不是在焊趾處，而 是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。 前蘇聯(lián) Makorov 對高強鋼(抗拉強度 b=1080 MPa)橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲勞強 度試驗表明，在焊態(tài)條件下 2106循環(huán)次數(shù)時疲勞強度為150MPa，如果對焊縫進行機 械加工處理，除去余高，則疲勞強度提高到275MPa，這已與基本金屬的疲勞強度相當。 但如果對焊趾處進行局部磨削加工，其疲勞強度為245MPa，它是機加工效果的 83%，與 焊態(tài)相比，疲勞強度提高 65%，當然不論是采用機加工方法，還是磨削方法，如果不能仔 細按要求進行，以便保證加工效果，疲勞強度的提高是有限的。 3) 砂輪打磨砂輪打磨 采用砂輪磨削，雖然其效果不如機

31、械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強度的有效 方法。國際焊接學會推薦采用高速電力或水力驅(qū)動的砂輪，轉(zhuǎn)速為(1500040000)/min，砂 輪由碳-鎢材料制作，其直徑應保證打磨深度半徑應等于或大于 1/4 板厚。國際焊接學會最 近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其 2106 循環(huán)下的標稱疲勞強度提高 45%，如果將得到 的 199MPa 疲勞強度標稱值換算成相應的特征值(135MPa)它也高于國際焊接學會的接頭細 節(jié)疲勞強度中的最高的 FAT 值。要注意的是磨削方向應與力線方向一致，否則在焊縫中會 留下與力線垂直的刻痕，它相當于應力集中源，起到降低接頭疲勞強度的作用。 4) 特種焊條方法特種焊條方

32、法 本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可 以改善焊縫的過渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應力集中程度，從而提高焊接接頭 的疲勞強度。與 TIG 熔修的缺點相類似，它對焊接位置具有較強的選擇性，特別適合于平 焊位置和平角焊，而對于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。 3.23.2 調(diào)整殘余應力場產(chǎn)生壓縮應力的方法調(diào)整殘余應力場產(chǎn)生壓縮應力的方法 1)1) 預過載法預過載法 假如在含有應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)生壓縮應力，而在試樣 其它截面部位將有與其相平

33、衡的低于屈服點的拉伸應力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后 的疲勞試驗中，其應力范圍將與原始未施加預過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以 提高焊接接頭的疲勞強度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)(如橋梁、壓力容器等)投入運行 前需進行一定的預過載試驗，這對提高疲勞性能是有利的。 2) 局部加熱局部加熱 采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應力場，即在應力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應力，因而對 提高接頭疲勞強度是有利的。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。 對于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的 1/3，對于雙面角接板情況加熱位置 為板件中心。這樣可以保證在焊縫內(nèi)產(chǎn)生壓縮應力，從而可以提高

34、接頭的疲勞強度。不同 研究者應用該方法得到的效果有所不同，對單面角接板，提高疲勞強度 145-150%，對雙面 角接板，提高疲勞強度 70-187%， 。 局部加熱位置對接頭的疲勞強度有重要的影響，當點狀加熱是在焊縫端部處兩則進行 時，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應力，結(jié)果疲勞強度提高 53%；但是當點狀加 熱是在焊縫端部試樣中心進行時，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，但由于殘余應力為拉伸殘余應力，則所測量到的接頭疲勞強度與非處理試樣相同。 3) 擠壓法擠壓法 局部擠壓機制與點狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應力提高接頭疲勞強度。但是 其作用點是不同的，擠壓位置

35、應位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應力的位置。高強鋼試樣采用擠壓 法其效果比低碳鋼更為顯著。 4) GurnnertsGurnnerts 方法方法 由于有時難以準確地確定局部加熱法的加熱位置和加熱溫度，為了獲得滿意效果， Gunnert 提出一種方法，該方法的要點是直接向缺口部位而不是附近部位加熱到能產(chǎn)生塑性 變形但低于相變溫度 55的溫度或 550，然后急劇噴淋冷卻之。由于表層下金屬和其周 圍未受噴淋的金屬冷卻的較晚，待其冷卻時收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應力。藉此壓 縮應力即可提高構(gòu)件的疲勞強度。需要注意的是：為了使底層亦達到加熱目的，加熱過程 要緩慢些，Gunnert 建議加熱時間為 3min，而

36、Harrison 建議加熱時間為 5min。 Ohta 采用此方法成功的防止了對接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。具體方法是管道外部采用 感應法加熱，里面用循環(huán)水冷卻。因此在管道內(nèi)部產(chǎn)生了壓縮應力，因而有效地防止了疲 勞裂紋在管道內(nèi)部產(chǎn)生。處理后對接焊縫管道的疲勞裂紋擴展速率大為降低，達到與母材 相同的裂紋擴展速率。 3 33 3 降低應力集中和產(chǎn)生壓縮應力兼二有之的方法降低應力集中和產(chǎn)生壓縮應力兼二有之的方法 1) 錘擊法錘擊法 錘擊法是冷加工方法，其作用是在接頭焊趾處表面造成壓縮應力。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；同時錘擊還可以減少存在的缺口尖銳度，因而減 少了應力集中，這也

37、是大幅度提高接頭疲勞強度的原因。國際焊接學會推薦的氣錘壓力應 為 56Pa。錘頭頂部應為 812mm 直徑的實體材料，推薦采用 4 次沖擊以保證錘擊深度達 0.6mm。國際焊接學會最近的工作表明，對于非承載 T 形接頭，錘擊后其 2106循環(huán)下接 頭疲勞強度提高 54%。 2) 噴丸噴丸 噴丸是錘擊的另一種形式，也屬沖擊加工的方法。噴九的效果依賴于噴丸直徑尺寸， 噴丸尺寸不應過大，以使其能處理微小的缺陷。同時，噴丸尺寸亦不應過小，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。研究結(jié)果表明， 噴丸能顯著地提高高強鋼接頭的疲勞強度，噴丸對氬弧焊高強鋼材料具有突出的效

38、果，其 程度甚至高于 TIG 熔修。同時 TIG 熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。 4 4 提高焊接接頭疲勞強度的最新技術提高焊接接頭疲勞強度的最新技術 4.14.1 超聲沖擊處理方法超聲沖擊處理方法 近年來發(fā)展起來的超聲沖擊提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強度的方法，其機理與錘擊和噴 丸基本一致但這種方法執(zhí)行機構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、 應用時受限少，成本低而且節(jié)能，適用于各種接頭，是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞 性能的方法。對幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對接和非承載縱向角接頭實施超聲沖擊處理，然 后進行了焊態(tài)與沖擊處理的對比疲勞試驗，研究了超聲沖擊法改善焊接頭疲勞強度的實際

39、效果，對比結(jié)果見表 2?？梢姡附咏宇^經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞強度提高了 50170%， 效果十分顯著。 4.24.2 低相變點焊條方法低相變點焊條方法 4.2.14.2.1 提高焊接接頭疲勞強度原理和發(fā)展提高焊接接頭疲勞強度原理和發(fā)展 壓縮應力可以提高焊接接頭的疲勞強度，已有大量的文獻論述，然而問題是如何在焊 接接頭中較方便的引入壓縮應力。 表表 2 超聲沖擊處理前后的疲勞強度對比超聲沖擊處理前后的疲勞強度對比 疲勞強度 / MPa 材料與接頭形式 焊態(tài)沖擊處理態(tài) 提高程度 % Q235B (R=0.1)-對接23051 SS800(R=0.05) -對接306101 16Mn (R=0.1)

40、 -對接 152 28588 Q235B (R=0.1)-縱向角接20092 SS800(R=0.05) -縱向角接279168 16Mn (R=0.1) -縱向角接 104 212104 眾所周知，由于化學成分、合金含量和冷卻速度不同，鋼鐵材料在冷卻過程中會發(fā)生 不同的組織轉(zhuǎn)變或多次的組織轉(zhuǎn)變，這一組織轉(zhuǎn)變伴隨有體積膨脹，在拘束條件下將會產(chǎn) 生相變應力，屬于壓縮應力。對于焊縫金屬來說，這將有利于殘余拉伸應力的降低甚至出 現(xiàn)殘余壓縮應力，從而改善焊接接頭的力學性能。低相變點焊條（Low Transformation Temperature Welding Electrode, LTTE）就是一

41、種利用相變應力在焊接接頭中產(chǎn)生壓縮應 力提高焊接接頭疲勞強度的新型焊接材料。 早在 60 年代，前蘇聯(lián)焊接專家就提出了低相變點焊條方法能夠提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強 度，但是當時并沒有提出“低相變點焊條”的概念，只稱其為一種特殊焊條其堆焊金屬成 分主要依靠 3-4%的 Mn 含量來降低相變點，實現(xiàn)冶金相變。文獻指出，選用這些特殊的焊 條，對小試件進行疲勞試驗時，用這些焊條堆焊之后的疲勞強度要高于未堆焊試驗 75%。 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，并由于超低碳鋼材的 發(fā)展，低相變點焊條得到了快速的發(fā)展，日本和中國在這方面進行了大量的研究，但目前 仍然在實驗室階段。

42、4.2.2 LTTELTTE 焊條改善疲勞強度的效果焊條改善疲勞強度的效果 天津大學材料學院設計和優(yōu)化研制了低相變點焊條，并在各種焊接接頭上進行了大量 的疲勞試驗和工藝性能試驗。 （1 1）LTTELTTE 方法方法 采用低相變點焊條 LTTE 和普通焊條 E5015 分別對橫向?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，并進行疲勞對比試驗。結(jié) 果表明，相變點焊條 LTTE 接頭的疲勞強度分別比普通焊條 E5015 接疲勞強度提高 11%、23%、42%、46%合 59%，疲勞壽命提高幅度從幾倍到上百倍。 表表 3 3 不同類型焊接接頭疲勞強度的改善效

43、果不同類型焊接接頭疲勞強度的改善效果 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176.9202.1167.0182.7179.4 LTTE 焊條157.8164.8118.3124.9113.0 改善程度 11%23%41%47%58% 應力集 中程度 輕度 K1中等 K2強烈 K3特別強烈 K4特別強烈 K4 拘束度 小 大 由于低相變點焊條是在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變體積膨脹而獲得的殘余壓縮應力， 因此殘余壓縮應力的大小與焊接接頭拘束度有較大關系，拘束度越大，其殘余壓縮應力越 大，疲勞強度的提高效果也越大。 （2 2）低

44、相變點焊條焊趾熔修（）低相變點焊條焊趾熔修（LTTE-dressingLTTE-dressing）方法）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，從而使得低相變點焊接材料的成本提高許多。如果一個焊接 結(jié)構(gòu)的全部焊縫都采用低相變焊接材料進行施焊，焊接結(jié)構(gòu)的成本也將大幅度增加，這是 很不經(jīng)濟的。 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 殘余壓縮應力，則可以提高焊接接頭的疲勞強度，而并不需要全部采用低相變點焊條，這 樣可以降低使用成本。從這一思路考慮，天津大學在試驗的基礎上提出了低相變點焊條焊 趾熔

45、修(LTTE-dressing)提高焊接接頭疲勞強度的方法。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，分別對比了低相變點焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)和普通焊條焊 接接頭的疲勞強度，前者的疲勞強度分別比后者提高 19.9%和 41.7%，證明了這一思路的 可行性和實用性，為低相變點焊條 LTTE 更合理的在工程實際中應用進行了前期試驗研究， 同時低相變點焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)接頭也可以反映低相變點焊條在蓋面焊縫和近 焊趾蓋面焊道的應用情況。 4.2.3 低相變點焊條的的優(yōu)缺點低相變點焊條的的優(yōu)缺點 優(yōu)點： (1)低相變點焊條焊接方法是隨同焊接過程同時

46、進行，避免了焊后加工處理的不方便； (2)低相變點焊條方法無需特殊的操作要求，因而操作簡單方便； (3）低相變點焊接材料用于提高焊接接頭疲勞強度，由于不受后續(xù)焊道熱作用的影響， 它更適合于隱蔽焊縫、被覆蓋焊縫、單面焊的背面焊縫等不能進行焊后加工處理的焊縫的 疲勞強度提高; （4）LTTE 焊條還可以用于焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復。 缺點：焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點焊接材料的成本提高。 但可以通過 LTTE-dressing 等方法加以彌補。 5 5 結(jié)束語結(jié)束語 綜上所述，可見近年來由于焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對其承受動載能 力的要求越來越高，因此發(fā)展及推廣應用改

47、善焊接接頭疲勞性能的新技術對推動焊接結(jié)構(gòu) 的應用意義重大。相對而言，國內(nèi)外最新發(fā)展起來的超聲沖擊技術以及使用低相變點焊接 材料來提高焊接接頭疲勞強度的方法是焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能改善技術與工藝的重要研究方向。 參考文獻參考文獻 1.霍立興. 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評定M. 北京: 機械工業(yè)出版社,2000，358363. 2. 世紀之交論焊接J. 航空航天技術，1999, (2): 13-17. 3.英T.R.格爾內(nèi)著，周殿群譯. 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞M.北京：機械工業(yè)出版社，1988，284-285. 4.胡毓仁，陳伯真. 船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)安全可靠性分析M. 北京：人民交通出版杜，1996,1-2. 5

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