超声冲击法提高低碳钢焊接接头疲劳强度的研究
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【摘 要】疲劳寿命的长短直接影响焊接节点的使用寿命，进而影响工件或设备的使用年限，因此如何延长疲劳寿命的方法一直是焊接界的重点研究方向。提高焊接接头的疲劳寿命可以从多方面入手，如：改善工艺技术，增加母材厚度，改变接头设计等。本研究分析了当书面工艺获得工程师批准后，通过调整关键性的焊缝外观细节来提高焊接接头疲劳寿命的方法。
【关键词】焊接接头;疲劳极限;超高周疲劳;超声冲击处理
中图分类号：TG405 文献标识码：A
引言
结构钢母材及其对接接头在超高周寿命区间还会发生断裂，不存在传统意义上的疲劳极限;而十字接头在超高周寿命区间存在疲劳极限。观察焊接接头的断口，可以发现焊接接头试样在低周疲劳区大多在焊接接头结合处发生疲劳断裂，而在高周疲劳区多发生在焊接热影响区处。通过超声冲击对焊接接头处理，可以明显地消除焊接接头的焊趾上的缺陷，改善应力集中，从而提高焊接接头的超高周疲劳性能。
1、概述
焊接接头承受静载的能力一般不低于母材，但由于接头应力集中和焊接残余应力等因素其承受交变动载荷的能力与母材相差甚远，是结构的薄弱环节。疲劳断裂是接头失效的主要形式，因此采取有效工艺提高焊接接头的疲劳强度是十分重要的。锤击、喷丸处理是目前改善焊接接头疲劳性能最为普遍的方法.但普通锤击法效率低、噪声大、可控性差且劳动强度大、效果不稳定;喷丸处理设备庞大、不适合野外和高空作业，安全防护和丸粒回收存在很大问题。超声冲击执行机构轻巧、使用灵活方便、效率高、噪音小、成本低、适用性强。超声冲击提高疲劳强度在低应力比下已被广泛应用，目前在高应力比下，超声冲击改善疲劳强度的机理研究尚未深入。通常情况构件服役之前使用超声冲击技术对焊接接头实施处理，对处于承载状态采用超声冲击方法改善其焊接接头疲劳性能机理的研究在国内外还很少。因此，研究超声冲击在承载状态、高应力比加载条件下改善焊接接头疲劳性能对于指导实际应用有重大的意义。文中对比超声冲击在非承载、承载状态下提高疲劳强度的能力，并对承载冲击提高焊接接头疲劳强度进行了分析。
2、提高焊接接头耐疲劳性的原理
LTT焊接材料是利用焊接后焊缝金属冷却过程中的相变膨胀，缓解焊接后产生的残余拉伸应力的材料。使用普通焊接材料焊接时，焊缝金属在700℃以上的高温区发生相变，相变后的焊缝金属的热收缩受到母材的拘束，产生残余拉伸应力。而LTT焊接材料的相变开始温度在500℃以下，焊缝金属的相变膨胀一直持续到接近室温，所以焊后焊缝金属的残余应力是很小的拉伸应力或是压缩应力。关于钢铁材料马氏体转变温度（Ms点）已经进行了许多研究。（1）式是马氏体转变开始温度公式。Ms=529-382×（%C）-31×（%Mn）-18×（%Ni）-9×（%Mo）-5×（%V）-33x（%C）×（%Cr）（1）从（1）式可知，添加C、Mn、Ni可以降低焊缝金属的马氏体转变开始温度。过去开发出的LTT焊接材料的主要添加元素Ni含量约为10%，使焊缝金属转变温度下降到200℃以下。Ni虽然对于降低焊缝金属转变温度有效，但使焊缝金属的抗热裂性下降并使焊缝金属强度过度升高，以及焊接材料成本增加。这些都影响了LTT焊接材料的实用化。本研究用可以降低马氏体转变开始温度的Mn替代Ni，开发出新型的LTT焊接材料。
3、附加焊接法
LTT焊接材料的成分使得焊缝金属具有高强度、高韧性，可以提高焊接接头的疲劳强度，但存在着焊接区脆性断裂和延迟断裂的可能性。因此仅简单地用LTT焊接材料替代传统焊接材料不能提高焊接接头的力学性能。为此，神户制钢开发出用于LTT焊接材料的焊接方法。设计规范将十字焊接接头和角撑板焊接接头等角焊的焊趾确定为容易产生应力集中、成为断裂起点的部位。采用LTT焊接材料将可以提高这些部位的疲劳强度。但是，，在横板和纵板交叉部位进行角焊这样的部分熔透焊接（以下称为主焊接、主焊道）时，在焊趾和焊根会产生很大的应力集中。因此，将LTT焊接材料用于主焊缝时，存在着发生焊根裂纹，甚至钢结构有脆性断裂的危险。为防止这些问题的发生，主焊道使用传统的490MPa级钢用焊接材料，焊接成良好的焊接接头，用LTT焊接材料在主焊道焊趾进行堆焊，用来缓解主焊道焊趾的拉伸残余应力。这种焊接方法叫做附加焊接法。采用附加焊接法增加了焊缝的厚度和长度，缓解了宏观应力集中。
4、超声冲击处理对焊接接头超高周疲劳性能的影响
超声冲击处理是一种效率很高的焊接接头表面改性技术，主要原理是消除零件表面有害的拉应力，引进有益的压应力。超声冲击设备的工作原理是通过大功率的能量使冲击头以20kHz的频率作用在金属表面，在高能量、高频率的作用下，金属表面会产生比较大的弹塑性变形;同时使金属表面应力场发生了改变，引进了有益的压应力;高能量使金属表面产生很高的热量，然后又迅速冷却，使金属表面的组织发生改变，强化了受冲击部位。超声冲击对SMA490BW钢对接接头超高周劳性能的影响，试验结果表明，在108循环周次下，超聲冲击态的焊接接头的疲劳强度为195MPa，而焊态接头为141MPa，相比之下提高了38.3%;在相同的应力水平下，超声冲击态的寿命也比焊态的高。超声冲击对转向架焊接十字接头表层组织及超高周疲劳性能的影响，结果表明，随着循环周次的提高，超声冲击对提高焊接接头的疲劳强度的效果越来越显著。超声冲击对Q235钢和16Mn钢焊接接头的疲劳强度的影响，结果表明：与107周次相比，在109周次时，Q235钢和16Mn钢原始焊态的疲劳强度分别下降了61.1%和60.4%，而Q235钢和16Mn钢超声冲击态的疲劳强度分别下降了32.1%和41.0%，明显地提高了疲劳强度。刘永杰等[18]研究了Q345钢焊接接头超高周疲劳试验，结果表明，在107循环周次下，焊态接头的疲劳强度为175.7MPa，经过一次喷丸处理后，焊接接头的疲劳强度为198.5MPa，提高了12.9%;经过加强喷丸后，焊接接头的疲劳强度为224.2MPa，提高了27.3%。由此可见，喷丸也可以提高焊接接头超高周疲劳强度。超声冲击改善焊接接头的疲劳性能主要是有两方面的原因，一是在焊趾部位形成残余应力，二是改善了焊趾的几何外形，增加了焊趾区的过渡半径，降低了焊接接头的应力集中。王东坡等[30]研究超声冲击法提高焊接接头疲劳强度的机理，主要从降低焊趾区的应力集中、改善焊趾区的几何外形、减少焊趾区的缺陷及焊趾区的材质硬化、在焊趾区表面引入较大的残余压应力等几方面分析，结果表明，通过增大焊趾区的过渡半径，可以实现降低焊接接头的应力集中的效果;超声冲击处理可以改善焊趾的几何外形，使焊趾区的材质硬化及在焊趾区表面形成压应力，降低了应力循环比，使得焊趾区的几何外形得到改善，提高了疲劳强度。超声冲击处理和喷丸处理提高焊接接头的超高周疲劳性能主要是经过超声冲击处理和喷丸处理可以明显地消除焊接接头焊趾上的缺陷，改善应力集中，还可以在表面形成残余应力，同时也使得裂纹源从表面萌生转变为从次表面萌生，达到延长焊接接头的寿命。
结束语
焊接接头承受静载的能力一般不低于母材，但由于接头应力集中和焊接残余应力等因素其承受交变动载荷的能力与母材相差甚远，是结构的薄弱环节.疲劳断裂是接头失效的主要形式，因此采取有效工艺提高焊接接头的疲劳强度是十分重要的。
参考文献：
[1]乔燕，蒋军.钢焊接接头疲劳性能研究[J].焊接技术，2018，47（04）：57-60.
[2]林庆琳.焊接接头的腐蚀疲劳性能分析[J].科技风，2018（10）：127.
[3]晁耀杰，李宏佳，李钦杰焊接接头组织对疲劳断裂的影响[J].焊接技术，2017，46（08）：5-9.
（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）
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