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    3改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)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(gè)部位，如果焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險(xiǎn)被抑制，焊接接頭的危險(xiǎn)點(diǎn)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(qiáng)度，①減少或消滅焊接缺欠特別是開(kāi)口缺陷；②改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng)。這些改進(jìn)方法可以分為兩大類(lèi)，如表1所示

    焊接過(guò)程優(yōu)化方法不僅是針對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度而考慮，同時(shí)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)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1焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的改善方法

    下面從工藝方法角度考慮分三部分詳細(xì)論述改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要方法。

    3.1改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法

    3.1 .1 TIG熔修

    國(guó)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(qiáng)度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過(guò)渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過(guò)渡。減少了應(yīng)力集中，同時(shí)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(qiáng)度提高。

    熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm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。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時(shí)，如何處理重新起弧的方法，因?yàn)檫@勢(shì)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(guó)際焊接學(xué)會(huì)組織歐洲一些國(guó)家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國(guó)焊接研究所制備的試樣進(jìn)行了—些改善接頭疲勞強(qiáng)度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實(shí)經(jīng)該方法處理后該接頭的2×106循環(huán)下的標(biāo)稱(chēng)疲勞強(qiáng)度提高58%，如果將得到的211MPa的疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱(chēng)值換算成相應(yīng)的特征值（K指標(biāo)）為144MPa.它己高出國(guó)際焊學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最高的FAT值。

    3.1 .2機(jī)械加工

    若對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高，當(dāng)焊縫不存在缺陷時(shí)，接頭的疲勞強(qiáng)度可高于基本金屬的疲勞強(qiáng)度。但是這種表面機(jī)械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴(yán)重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機(jī)械加工是毫無(wú)意義的。如果存有未焊透缺陷，因?yàn)槠诹鸭y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(jī)加工反而往往會(huì)降低接頭疲勞強(qiáng)度。

    有時(shí)不用對(duì)整體焊縫金屬進(jìn)行機(jī)加工，而只需對(duì)焊趾處采用機(jī)械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度。研究表明，在這種情況下，起裂點(diǎn)不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。

    前蘇聯(lián)Makorov對(duì)高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度σb=1080 MPa）橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)表明，在焊態(tài)條件下2×106循環(huán)次數(shù)時(shí)疲勞強(qiáng)度為±150MPa，如果對(duì)焊縫進(jìn)行機(jī)械加工處理，除去余高，則疲勞強(qiáng)度提高到±275MPa，這已與基本金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)。但如果對(duì)焊趾處進(jìn)行局部磨削加工，其疲勞強(qiáng)度為±245MPa，它是機(jī)加工效果的83%，與焊態(tài)相比，疲勞強(qiáng)度提高65%，當(dāng)然不論是采用機(jī)加工方法，還是磨削方法，如果不能仔細(xì)按要求進(jìn)行，以便保證加工效果，疲勞強(qiáng)度的提高是有限的。3.1 .3砂輪打磨

    采用砂輪磨削，雖然其效果不如機(jī)械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的有效方法。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦采用高速電力或水力驅(qū)動(dòng)的砂輪，轉(zhuǎn)速為（15000~40000）r/min，砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)等于或大于1/4板厚。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2×106循環(huán)下的標(biāo)稱(chēng)疲勞強(qiáng)度提高45%，如果將得到的199MPa疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱(chēng)值換算成相應(yīng)的特征值（135MPa）它也高于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最高的FAT值。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會(huì)留下與力線垂直的刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強(qiáng)度的作用。3.1 .4特種焊條方法

    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(guò)渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。與TIG熔修的缺點(diǎn)相類(lèi)似，它對(duì)焊接位置具有較強(qiáng)的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對(duì)于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。

    3.2調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法

    3.2.1預(yù)過(guò)載法

    假如在含有應(yīng)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(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗(yàn)中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過(guò)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(qiáng)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(yùn)行前需進(jìn)行一定的預(yù)過(guò)載試驗(yàn)，這對(duì)提高疲勞性能是有利的。

    3.2.2局部加熱

    采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對(duì)提高接頭疲勞強(qiáng)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(duì)于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的1/3，對(duì)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(yīng)力，從而可以提高接頭的疲勞強(qiáng)度。不同研究者應(yīng)用該方法得到的效果有所不同，對(duì)單面角接板，提高疲勞強(qiáng)度145%-150%，對(duì)雙面角接板，提高疲勞強(qiáng)度70%-187%，。

    局部加熱位置對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度有重要的影響，當(dāng)點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部處兩則進(jìn)行時(shí)，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應(yīng)力，結(jié)果疲勞強(qiáng)度提高53%；但是當(dāng)點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部試樣中心進(jìn)行時(shí)，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(yīng)力為拉伸殘余應(yīng)力，則所測(cè)量到的接頭疲勞強(qiáng)度與非處理試樣相同。

    3.2.3擠壓法

    局部擠壓機(jī)制與點(diǎn)狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應(yīng)力提高接頭疲勞強(qiáng)度。但是其作用點(diǎn)是不同的，擠壓位置應(yīng)位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。高強(qiáng)鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。

    3.2.4 Gurnnerts方法

    由于有時(shí)難以準(zhǔn)確地確定局部加熱法的加熱位置和加熱溫度，為了獲得滿(mǎn)意效果，Gunnert提出一種方法%考%試|大|，該方法的要點(diǎn)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?chē)词車(chē)娏艿慕饘倮鋮s的較晚，待其冷卻時(shí)收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。藉此壓縮應(yīng)力即可提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。需要注意的是：為了使底層亦達(dá)到加熱目的，加熱過(guò)程要緩慢些，Gunnert建議加熱時(shí)間為3min，而Harrison建議加熱時(shí)間為5min.

    Ohta采用此方法成功的防止了對(duì)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(yīng)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(yīng)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(duì)接焊縫管道的疲勞裂紋擴(kuò)展速率大為降低，達(dá)到與母材相同的裂紋擴(kuò)展速率。

    3.3降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼二有之的方法

    3.3 .1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(yīng)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(guān)；同時(shí)錘擊還可以減少存在的缺口尖銳度，因而減少了應(yīng)力集中，這也是大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度的原因。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的氣錘壓力應(yīng)為5~6Pa.錘頭頂部應(yīng)為8~12mm直徑的實(shí)體材料，推薦采用4次沖擊以保證錘擊深度達(dá)0.6mm.國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的工作表明，對(duì)于非承載T形接頭，錘擊后其2×106循環(huán)下接頭疲勞強(qiáng)度提高54%.

    3.3 .2噴丸

    噴丸是錘擊的另一種形式，也屬?zèng)_擊加工的方法。噴九的效果依賴(lài)于噴丸直徑尺寸，噴丸尺寸不%考%試|大|應(yīng)過(guò)大，以使其能處理微小的缺陷。同時(shí)，噴丸尺寸亦不應(yīng)過(guò)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(qiáng)鋼接頭的疲勞強(qiáng)度，噴丸對(duì)氬弧焊高強(qiáng)鋼材料具有突出的效果，其程度甚至高于TIG熔修。同時(shí)TIG熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。