焊接接頭疲勞強(qiáng)度的研究及其技術(shù)工藝的改進(jìn)

1、文章編號(hào):1003-0794(2005 03-0070-04焊接接頭疲勞強(qiáng)度的研究及其技術(shù)工藝的改進(jìn)張文博, 徐開國(guó), 張汝春(佳木斯煤礦機(jī)械有限公司, 黑龍江佳木斯154002摘要:通過對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件接頭疲勞失效原因的研究分析及影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度因素的分析, 提出改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的新技術(shù)和新工藝, 提高焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和性能, 降低因疲勞斷裂造成的事故和損失。關(guān)鍵詞:焊接接頭; 疲勞強(qiáng)度; 研究; 改善; 技術(shù)工藝中圖號(hào):TG4051 前言焊接作為高效的連接組裝工藝之一, 通常對(duì)一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用。研究和實(shí)踐表明: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, 焊接接頭

2、的疲勞破壞一般起裂于焊接接4 不重磨可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀具特點(diǎn)不重磨可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀具在液壓缸體深孔加工中, 與焊接刀具相比有以下特點(diǎn):(1 提高刀具耐用度不重磨可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀片不經(jīng)焊接、不需重磨, 完全避免了因焊接或重磨而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、裂紋和高溫氧化現(xiàn)象, 保持了刀片材料原有的切削性能, 在切削用量相同時(shí), 可提高刀具耐用度5倍。(2 提高切削加工效率不重磨可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀具在切削過程中, 當(dāng)?shù)度袚p壞或用鈍時(shí), 轉(zhuǎn)換一個(gè)刀刃或更換一個(gè)刀片, 就可以重新投入切削。刀刃轉(zhuǎn)位或刀片更換方便、迅速、準(zhǔn)確, 且能夠較好地保證定位精度。對(duì)于粗加工, 轉(zhuǎn)刃、換刀后不需對(duì)刀, 對(duì)于精加工只需對(duì)新刃對(duì)刀一次即可, 縮短輔助加工

3、時(shí)間近2/3, 大大提高了切削加工效率。(3 保證切削精度不重磨可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀具有合理的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù), 不受操作者刃磨經(jīng)驗(yàn)的限制。刀片表面有多層涂層材料, 具有良好的綜合切削性能, 切削質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。保證了缸體內(nèi)孔加工精度, 粗加工合格品文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A頭的焊趾部位, 如果能改善焊趾處疲勞裂紋的起裂性能, 將有效地提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。因此提高和改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度具有極大的潛在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來(lái), 疲勞方面的研究雖已取得了很大的成績(jī), 但焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故仍不斷發(fā)生, 率接近100%, 精加工合格品率高于99. 5%。(4 節(jié)省刀具材料便于刀具管理一把刀具的刀體可使用刀片50片以

4、上, 刀桿鋼材的消耗僅為焊接刀1/25左右, 節(jié)省刀具材料, 降低綜合成本。由于大大減少了刀桿量, 也減少刀桿的生產(chǎn)和庫(kù)存, 便于刀具的管理。5 結(jié)語(yǔ)不重磨可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀具在深孔鉆鏜床的使用, 顯現(xiàn)出較焊接刀耐用度高、加工精度高, 切削質(zhì)量穩(wěn)定、切削效率高、合格品率高等特點(diǎn)。該類刀具不僅適用于數(shù)控機(jī)床和加工自動(dòng)線, 同時(shí)也適用于普通機(jī)床的封閉式切削加工。對(duì)于目前普通加工設(shè)備比例較大的中小企業(yè), 在某些傳統(tǒng)切削加工中, 可以使用不重磨可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀具來(lái)代替焊接刀具, 達(dá)到提高產(chǎn)品合格品率、增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。作者簡(jiǎn)介:隋冬杰(1961- , 女, 遼寧丹東人, 工程師, 副教授, 1982年畢業(yè)于鄭

5、州工學(xué)院機(jī)械系機(jī)械制造專業(yè), 現(xiàn)在河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院電教實(shí)驗(yàn)中心從事教學(xué)和科研工作, 曾十余年從事液壓支架冷加工工裝設(shè)計(jì)工作, 已發(fā)表論文多篇. E-mail:Luanlm-88126. com.收稿日期:2005-01-05Turning and Mechanism Fixed Cutter Is Used for Deep Hole BoreSU I Dong -jie, LI De -m ing(Henan Quality Engineerin g Vocation College, Pingdingshan 467000, ChinaAbstract:This paper intro

6、duces turning and mechanism fixed cutter not only is applied to numerical control of mac hine tool but also is applied to common machine tool, and cutting merit to replaces weld cutter by turning and mechanism fixed cutter , and cutting characteristic on deep hole bore processing.Key words:turning a

7、nd mechanism fixed cutter; weld cutter; deep hole bore processing; push bore and rolling而且新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)將產(chǎn)生許多疲勞強(qiáng)度的新問題。因此, 研究焊接結(jié)構(gòu)的疲勞行為有重大的意義。2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因分析從我國(guó)近幾年的研究發(fā)現(xiàn), 造成焊接接頭疲勞斷裂的原因主要有以下5方面:(1 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(dòng)載荷時(shí), 其承受能力卻遠(yuǎn)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(guān)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(gè)主要的因素; (2

8、早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主, 沒有考慮抗疲勞設(shè)計(jì), 或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善, 造成焊接接頭形式和結(jié)構(gòu)不合理; (3 技術(shù)人員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點(diǎn)了解不夠, 所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其他金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式; (4 盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化, 導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來(lái)越大; (5 對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面的科研水平相對(duì)滯后。3 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素主要有以下兩大類:(1影響母材疲勞強(qiáng)度的因素(幾何不連續(xù)性、表面狀態(tài)、載荷及介質(zhì)條件 。(2焊接結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)(近縫區(qū)組織的改變, 殘余應(yīng)力 。3. 1 靜載強(qiáng)度對(duì)母材疲勞

9、強(qiáng)度的影響對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō), 焊接接頭的疲勞強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬?gòu)?qiáng)度匹配沒有多大的關(guān)系, 也就是說(shuō)只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣, 高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣的, 具有同樣的S N 曲線, 這個(gè)規(guī)律適合對(duì)接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式。Maddox 的研究結(jié)果表明:材料的力學(xué)性能對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有一定影響, 但影響并不大。3. 2 應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響3. 2. 1 接頭類型的影響影響焊接接頭幾何不連續(xù)性的因素, 都將影響應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度。(1 接頭形式:對(duì)接、搭接、丁字和十字接頭。在接頭部位由于傳力線受到干擾, 因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。(2

10、母材的厚度。大過渡角的影響。Yamaguchi 等人發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角(外鈍角 有很大關(guān)系。焊縫寬度W 和高度h 變化, 但h/W 比值保持不變, 疲勞強(qiáng)度也保持不變; 但如果W 保持不變, h 增加則接頭疲勞強(qiáng)度降低。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(duì)接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響, 即過渡半徑增加(過渡角保持不變 , 疲勞強(qiáng)度增加。(2 角焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a 與板厚B 之比a/B 0. 7時(shí), 一般斷于基本金屬。因此研究者提出了極限焊腳尺寸的概念:S =0. 85B (S 為焊腳尺寸 ?？梢?/p>

11、縱使焊腳尺寸達(dá)到板厚時(shí)(15mm , 仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果。3. 2. 3 焊接缺陷的影響焊趾部位存在著大量不同類型的缺陷, 導(dǎo)致疲勞裂紋早期開裂, 使母材的疲勞強(qiáng)度急劇下降(下降到80% 。焊接缺陷大體上可分為兩大類:面狀缺陷(如裂紋等 和體積型缺陷(氣孔、夾渣等 , 它們的影響程度是不同的, 同時(shí)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關(guān)。(1 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(yán)重的應(yīng)力集中源, 它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強(qiáng)度。早期的研究已表明, 在寬60m m 、厚12. 7mm 的低碳鋼對(duì)接接頭試樣中, 在焊縫中具有長(zhǎng)25mm

12、、深5. 2mm 的裂紋時(shí)(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(qiáng)度大約降低了55%65%。2 (4 母材與焊縫金屬的過渡角。(5 焊接缺陷:裂紋、咬邊、未焊透、未熔合、夾渣等。減小、避免接頭的幾何不連續(xù), 降低應(yīng)力集中, 有利于提高接頭的疲勞強(qiáng)度。3. 2. 2 焊縫形狀的影響無(wú)論是何種接頭形式, 它們都是由2種焊縫連接的, 對(duì)接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同, 其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同, 因而疲勞強(qiáng)度具有較大的分散性。(1 對(duì)接焊縫的形狀對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度影響最 有該類缺陷的試驗(yàn)結(jié)果相比, 其疲勞強(qiáng)度可降低15%25%。(3氣孔 氣孔為體積缺陷, Harr

13、ison 對(duì)前人的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié), 疲勞強(qiáng)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(guān)系。但是一些研究表明, 當(dāng)采用機(jī)加工方法加工試樣表面, 使氣孔處于表面上, 或剛好位于表面下方時(shí), 氣孔的不利影響加大, 它將作為應(yīng)力集中源起作用而成為疲勞裂紋的起裂點(diǎn)。這說(shuō)明氣孔的位置比其尺寸對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響更大, 表面或表層下氣孔具有最不利影響。(4 夾渣 IIW(國(guó)際焊接學(xué)會(huì) 的有關(guān)研究報(bào)告指明:作為體積型缺陷, 夾渣比氣孔對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響要大。通過上述介紹可見焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響, 不但與缺陷尺寸有關(guān), 而且還決定于其他因素, 如表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大,

14、 與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響比其他方向的大; 位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的大; 位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋 比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣缺陷影響大。3. 3 焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān), 循環(huán)特性值較低時(shí), 影響比較大。由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達(dá)到材料屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力, 因此在常規(guī)施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中, 焊縫附近所承受的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)將是由材料的屈服點(diǎn)向下擺動(dòng), 而不管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標(biāo)稱應(yīng)力循環(huán)為+S 1-S 2, 則其應(yīng)力范圍應(yīng)為S 1+S 2。但接頭中的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由S y (屈服

15、點(diǎn)的應(yīng)力幅 到S y -(S 1+S 2 。這一點(diǎn)在研究焊接接頭疲勞強(qiáng)度時(shí)是非常重要的, 它導(dǎo)致了一些設(shè)計(jì)規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征r 。此外, 在試驗(yàn)過程中, 試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大的影響。4 改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝方法目前, 國(guó)際上對(duì)焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞性能的提高措施的研究非常重視。最近, IIW 又采用統(tǒng)一規(guī)格的試件對(duì)目前常用的各種提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度措施進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)。焊接接頭疲勞裂紋一般起裂位置存在于焊根和焊趾2個(gè)部位, 如果焊根部位的疲勞裂紋起裂的危險(xiǎn)被抑制, 焊接接頭的危險(xiǎn)點(diǎn)則焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素入手。4. 1 降低應(yīng)力集中(設(shè)計(jì)措施

16、和工藝措施(1 采用合理的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式, 減少應(yīng)力集中, 以提高其疲勞強(qiáng)度, 避免焊縫的密集、交叉分布。(2 避免將焊縫布置在幾何突變處或/高應(yīng)力區(qū)0。(3 避免在剛性太大處施焊。(4 盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭形式 對(duì)接接頭, 保證焊接質(zhì)量。(5 當(dāng)采用角焊縫時(shí)需采用綜合措施提高接頭的疲勞強(qiáng)度。針對(duì)角焊縫處的幾何不連續(xù)性, 如:在焊縫長(zhǎng)度方向上的不連續(xù); 焊縫截面(寬度 上的不連續(xù)與母材寬度方向的對(duì)應(yīng)。采取相對(duì)應(yīng)的措施:機(jī)械加工焊縫端部(使沿長(zhǎng)度方向連續(xù) ; 合理選擇角接板形狀(使兩母板的幾何不連續(xù)性降低 ; 焊縫根部保證焊透。這樣可減小角焊縫處的幾何不連續(xù)和應(yīng)力集中, 并消除、降低殘

17、余應(yīng)力的不利影響。(6 通過開緩和槽, 使力線繞開焊縫的應(yīng)力集中處來(lái)提高接頭的疲勞強(qiáng)度。(7 用表面加工的方法(機(jī)械加工、電弧重熔焊道整形 , 減小其幾何不連續(xù)程度, 可降低構(gòu)件中的應(yīng)力集中, 以提高疲勞強(qiáng)度(使表面光滑, 消除一些近表面缺陷 。4. 2 調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)造成焊接接頭破壞的2種應(yīng)力因素主要是:焊縫及近縫區(qū)的殘余拉應(yīng)力; 應(yīng)力集中。消除應(yīng)力集中處的殘余拉力或使該處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力均可提高接頭的疲勞強(qiáng)度。主要方法如下:(1 整體處理。整體退火:在r 較小, 循環(huán)應(yīng)力較低時(shí)往往有利; 超載預(yù)拉伸:使焊縫/伸長(zhǎng)0, 殘余拉應(yīng)力降低。(2 局部處理。局部加熱。加熱距焊縫一定距離的母材; 輾壓

18、焊縫; 局部爆炸:于焊縫及近縫處, 使焊縫及建縫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力, 從而提高接頭的強(qiáng)度。4. 3 改善構(gòu)件中焊接接頭的表面性能(1 表面強(qiáng)化處理。錘擊, 輾壓, 噴丸等表面產(chǎn)生壓應(yīng)力; 材料局部強(qiáng)化, 提高疲勞強(qiáng)度。(2 加保護(hù)涂層改善材料的介質(zhì)環(huán)境, 疲勞強(qiáng)度提高。4. 4 精心制造文章編號(hào):1003-0794(2005 03-0073-03克林根貝格螺旋錐齒輪加工和調(diào)整姜志明(安徽理工大學(xué), 安徽淮南232001摘要:克林根貝格(Klingelnberg齒制的螺旋錐齒輪與目前使用最為廣泛的格里森(Gleason 齒制的螺旋錐齒輪相比, 在加工原理、加工設(shè)備和工藝方法上均有較大的區(qū)別。結(jié)合實(shí)例分

19、析介紹了其加工、調(diào)整以及夾具的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞:克林根貝格; 錐齒輪; 加工; 調(diào)整中圖號(hào):TH1321422; TG621 引言克林根貝格(Klingelnberg 齒制的螺旋錐齒輪是由原聯(lián)邦德國(guó)克林根貝格公司推出的一種等高齒的螺旋錐齒輪, 目前在我國(guó)的工程、煤礦等機(jī)械中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其與我國(guó)使用最多的美國(guó)格里森(Gleason齒制的螺旋錐齒輪相比, 在加工原理、加工設(shè)備和工藝方法上均有較大的區(qū)別, 下面就結(jié)合實(shí)例介紹其加工、調(diào)整以及夾具的設(shè)計(jì)方法。2 錐齒輪加工和調(diào)整2. 1 加工工藝路線圖1是某減速器中的克林根貝格齒制的螺旋錐齒輪副。大錐齒輪與軸采用大過盈無(wú)鍵聯(lián)接, 材質(zhì)均為20Cr

20、2Ni4A, 齒面滲碳淬火, 齒面硬度HRC5862, 齒形參數(shù)為:z 1=15、z 2=28、m n =6。軸錐齒輪簡(jiǎn)化的加工工藝路線為:毛坯鍛造y 精心制造, 盡量避免焊接缺陷, 減小應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響。5 結(jié)語(yǔ)綜上所述, 近年來(lái)由于焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì), 對(duì)其承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高, 因此發(fā)展及推廣應(yīng)用改善焊接接頭疲勞性能的新技術(shù)對(duì)推動(dòng)焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用意義重大。相對(duì)而言, 國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展起來(lái)的超聲沖擊技術(shù)以及使用低相變點(diǎn)焊接材料來(lái)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。文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B預(yù)先熱處理y 粗加工y 半精車(齒部

21、車至圖樣要求, 鍵槽處外圓和螺紋處外圓留切除滲碳層余量, 其余外圓留磨量 y 銑錐齒y 熱處理滲碳y 半精車(切除鍵槽處外圓和端面的滲碳層, 外圓留磨量, 車螺紋至圖樣要求 y 銑鍵槽y 淬火、回火y 修磨兩端中心孔y 磨外圓y 研齒。大錐齒輪簡(jiǎn)化的加工工藝路線為:毛坯鍛造y 預(yù)先熱處理y 粗加工y 半精車(90M7孔及端面留磨量, 其余至圖樣要求 y 銑錐齒y 熱處理滲碳、淬火y 磨(用內(nèi)孔端面磨床磨基準(zhǔn)端面和內(nèi)孔 y 平磨(磨另一端面 y 研齒。2. 2 加工和調(diào)整要點(diǎn)克林根貝格齒制的螺旋錐齒輪的加工原理與美國(guó)格里森齒制的螺旋錐齒輪的加工原理有很大的區(qū)別, 與瑞士奧利康齒制的螺旋錐齒輪相比雖均采用參考文獻(xiàn):1霍立興, 王東坡, 王文先. 提高焊接接頭疲勞性能的研究進(jìn)展和最新技術(shù)J. 焊接學(xué)報(bào), 2001, 22(5:37-40.2霍立興. 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定M . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.3拉達(dá)伊. 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1994.作者簡(jiǎn)介:張文博(1976- , 黑龍江集賢人, 佳木斯煤礦機(jī)械有限公司助理工程師, 1998年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)焊接設(shè)備及工藝專業(yè), ?？? 現(xiàn)從事焊接工藝設(shè)計(jì)及研究. E-mail:zwb19760106163. c