提高焊接接头疲劳强度的最新技术

2022-07-14

1 超声冲击处理方法

近年来发展起来的超声冲击提高焊接接头及结构疲劳强度的方法，其机理与锤击和喷丸基本一致．但这种方法执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，成本低而且节能，适用于各种接头，是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的方法。对几种典型焊接结构用钢的对接和非承载纵向角接头实施超声冲击处理，然后进行了焊态与冲击处理的对比疲劳试验，研究了超声冲击法改善焊接头疲劳强度的实际效果，对比结果见表2。可见，焊接接头经超声冲击处理后，疲劳强度提高了50%~170%，效果十分显著。

2 低相变点焊条方法

2.1 提高焊接接头疲劳强度原理和发展

压缩应力可以提高焊接接头的疲劳强度，已有大量的文献论述，然而问题是如何在焊接接头中较方便的引入压缩应力。

表2 超声冲击处理前后的疲劳强度对比

众所周知，由于化学成分、合金含量和冷却速度不同，钢铁材料在冷却过程中会发生不同的组织转变或多次的组织转变，这一组织转变伴随有体积膨胀，在拘束条件下将会产生相变应力，属于压缩应力。对于焊缝金属来说，这将有利于残余拉伸应力的降低甚至出现残余压缩应力，从而改善焊接接头的力学性能。低相变点焊条（Low Transformation Temperature Welding Electrode，LTTE）就是一种利用相变应力在焊接接头中产生压缩应力提高焊接接头疲劳强度的新型焊接材料。

早在60年代，前苏联焊接专家就提出了低相变点焊条方法能够提高焊接结构的疲劳强度，但是当时并没有提出“低相变点焊条”的概念，只称其为一种特殊焊条其堆焊金属成分主要依靠3%~4%的Mn含量来降低相变点，实现冶金相变。文献指出，选用这些特殊的焊条，对小试件进行疲劳试验时，用这些焊条堆焊之后的疲劳强度要高于未堆焊试验75%。

近几年，依靠Cr和Ni降低焊接材料熔敷金属的马氏体相变点，并由于超低碳钢材的发展，低相变点焊条得到了快速的发展，日本和中国在这方面进行了大量的研究，但目前仍然在实验室阶段。

2.2 LTTE焊条改善疲劳强度的效果

天津大学材料学院设计和优化研制了低相变点焊条，并在各种焊接接头上进行了大量的疲劳试验和工艺性能试验。

（1）LTTE方法

采用低相变点焊条LTTE和普通焊条E5015分别对横向对接接头、非承载十字接头、纵向环绕角焊缝接头、纵向平行角焊缝接头和纵向对接接头施焊，并进行疲劳试验。结果表明，相变点焊条LTTE接头的疲劳强度分别比普通焊条E5015接疲劳强度提高11%、23%、42%、46%和59%，疲劳寿命提高幅度从几倍到上百倍。

表3 不同类型焊接接头疲劳强度

由于低相变点焊条是在较低温度下发生马氏体相变体积膨胀而获得的残余压缩应力，因此残余压缩应力的大小与焊接接头拘束度有较大关系，拘束度越大，其残余压缩应力越大，疲劳强度的提高效果也越大。

（2）低相变点焊条焊趾熔修（LTTE-dressing）方法

然而，为使焊缝金属在正常的冷却速度下和在较低的温度下发生马氏体相变，焊接材料中加入了较多的合金元素，从而使得低相变点焊接材料的成本提高许多。如果一个焊接结构的全部焊缝都采用低相变焊接材料进行施焊，焊接结构的成本也将大幅度增加，这是很不经济的。

众所周知，焊接接头疲劳断裂主要从焊趾部位开裂，如果使焊接接头的焊趾部位产生残余压缩应力，则可以提高焊接接头的疲劳强度，而并不需要全部采用低相变点焊条，这样可以降低使用成本。从这一思路考虑，天津大学在试验的基础上提出了低相变点焊条焊趾熔修（LTTE-dressing）提高焊接接头疲劳强度的方法。采用非承载十字接头和纵向环绕角焊缝接头两种接头类型，分别对比了低相变点焊条焊趾熔修（LTTE-dressing）和普通焊条焊接接头的疲劳强度，前者的疲劳强度分别比后者提高19.9%和41.7%，证明了这一思路的可行性和实用性，为低相变点焊条LTTE更合理的在工程实际中应用进行了前期试验研究，同时低相变点焊条焊趾熔修（LTTE-dressing）接头也可以反映低相变点焊条在盖面焊缝和近焊趾盖面焊道的应用情况。

4.2.3 低相变点焊条的的优缺点

优点：

低相变点焊条焊接方法是随同焊接过程同时进行，避免了焊后加工处理的不方便；
低相变点焊条方法无需特殊的操作要求，因而操作简单方便；
低相变点焊接材料用于提高焊接接头疲劳强度，由于不受后续焊道热作用的影响，它更适合于隐蔽焊缝、被覆盖焊缝、单面焊的背面焊缝等不能进行焊后加工处理的焊缝的疲劳强度提高;
LTTE焊条还可以用于焊接结构疲劳裂纹的修复。

缺点：焊接材料中加入了较多的合金元素，从而使得低相变点焊接材料的成本提高。但可以通过LTTE-dressing等方法加以弥补。