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    4提高焊接接頭疲勞強度的最新技術(shù)

    4.1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(yīng)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效果，對比結(jié)果見表2.可見，焊接接頭經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞強度提高了50%~170%，效果十分顯著。

    4.2低相變點焊條方法

    4.2.1提高焊接接頭疲勞強度原理和發(fā)展

    壓縮應(yīng)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(yīng)力。

    表2超聲沖擊處理前后的疲勞強度對比

    眾所周知，由于化學(xué)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(yīng)力，屬于壓縮應(yīng)力。對于焊縫金屬來說，這將有利于殘余拉伸應(yīng)力的降低甚至出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。低相變點焊條（Low Transformation Temperature Welding Electrode， LTTE）就是一種利用相變應(yīng)力在焊接接頭中產(chǎn)生壓縮應(yīng)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(dāng)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。

    4.2.2 LTTE焊條改善疲勞強度的效果

    天津大學(xué)材料學(xué)院設(shè)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）LTTE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3不同類型焊接接頭疲勞強度的改善效果

    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(yīng)力，因此殘余壓縮應(yīng)力的大小與焊接接頭拘束度有較大關(guān)系，拘束度越大，其殘余壓縮應(yīng)力越大，疲勞強度的提高效果也越大。

    （2）低相變點焊條焊趾熔修（LTTE-dressing）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(yīng)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(xué)在試驗的基礎(chǔ)上提出了低相變點焊條焊趾熔修（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(yīng)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(yīng)用情況。

    4.2.3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(fù)。

    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%考%試|大|材料的成本提高。但可以通過LTTE-dressing等方法加以彌補。

    5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(yīng)用改善焊接接頭疲勞性能的新技術(shù)對推動焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(shù)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(shù)與工藝的重要研究方向。