具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭，屬于焊接領(lǐng)域。在接頭基體的表面設(shè)置金屬粉末噴焊涂層，其中，焊趾部位的金屬粉末噴焊涂層的厚度為2~5mm，接頭基體表面的金屬粉末噴焊涂層的厚度為0~2mm。所述的金屬粉末噴焊涂層的外表面為圓滑弧形過渡外形。有益效果在于：結(jié)構(gòu)新穎、簡單，既能降低焊趾處的應(yīng)力集中又能在焊趾表層形成殘余壓縮應(yīng)力，同時接頭整體力學(xué)性能增強(qiáng)。疲勞性能得到了大幅度提高。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及焊接領(lǐng)域，特別涉及一種具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭。 具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭

【背景技術(shù)】
[0002] 焊接是伴隨著鋼鐵等金屬材料的冶煉及各種熱源的應(yīng)用而產(chǎn)生的，春秋戰(zhàn)國時期 就已經(jīng)出現(xiàn)采用釬焊連接而成的大型焊接結(jié)構(gòu)件。進(jìn)入20世紀(jì)，隨著各種焊接材料及焊接 方法的產(chǎn)生，焊接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)、異種材料之間的連接。我國45%以上的鋼 鐵產(chǎn)量都應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)中，工業(yè)水平發(fā)達(dá)的國家這一比例更高。隨著焊接結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng) 用，不斷發(fā)生焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂事故。在國外，80年代日本的Alexan-derkeyland號鉆井 平臺因疲勞失效在北海翻沉。在國內(nèi)，90年代的高速列車轉(zhuǎn)向架經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂失效，給 國家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。
[0003] 構(gòu)成焊接結(jié)構(gòu)的焊接接頭焊趾部位存在的應(yīng)力集中、焊接殘余拉應(yīng)力和各種焊接 缺陷的聯(lián)合作用是焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故多發(fā)的主要原因。鑒于焊接接頭為薄弱環(huán)節(jié)，在 各種標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制定時不再采用基本金屬的疲勞數(shù)據(jù)作為整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核指標(biāo)，這樣 會造成材料的大量浪費(fèi)，同時也增加了制造周期和成本，即使以焊接接頭作為疲勞強(qiáng)度的 校核指標(biāo)，在接頭局部應(yīng)力集中作用下仍然會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的過早疲勞失效。因此，提高焊 接接頭疲勞強(qiáng)度一直都是國際相關(guān)專家研究的熱點(diǎn)。針對焊接接頭焊趾處疲勞裂紋的起裂 性能，專家學(xué)者們主要從以下兩個方面來尋求改善措施：
[0004] (1)改善焊縫的幾何外形，增加焊趾處的過渡半徑，降低焊趾部位的應(yīng)力集中，如 TIG熔修和焊趾打磨。
[0005] (2)調(diào)整焊接接頭表層的殘余應(yīng)力場，降低焊趾部位的殘余拉應(yīng)力，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)闅?余壓縮應(yīng)力，如 Shot blasting 和 Hammering method。
[0006] 這些改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法和措施使用的場合和方式各不相同，具有各 自的優(yōu)點(diǎn)，但都不同程度的提高了焊接接頭的疲勞性能。上述各種方法雖然都在一定程 度上提高了焊接接頭的疲勞性能，然而都存在一定的問題。TIG熔修通過氬弧調(diào)整接頭焊 趾處的形狀容易導(dǎo)致該位置的強(qiáng)度降低；Weld grinding也存在強(qiáng)度降低的問題；過載和 擠壓法容易引起非焊接接頭部位材料力學(xué)性能的變化；局部加熱和噴丸法等工藝流程復(fù) 雜；錘擊法噪音嚴(yán)重等；超聲沖擊法因其不能較大程度的改變焊縫表面的幾何外形而使得 焊接接頭表層形成的殘余壓應(yīng)力極容易因載荷的突變而釋放，即無法保證殘余壓縮應(yīng)力自 始至終在焊接接頭表層存在；低相變點(diǎn)焊條（Low Transformation Temperature Welding Electrode，LTTE)法在焊趾處形成了較大的殘余壓縮應(yīng)力，但是焊條的制備過程復(fù)雜、費(fèi) 用高、效率較低，同時通過焊條也不能較大程度的改善焊趾處的幾何外形。低相變點(diǎn)噴涂法 采用低相變點(diǎn)合金粉末代替低相變點(diǎn)焊條直接噴射于十字焊接接頭表層可以獲得較好的 幾何外形，同時在焊趾處形成了較大的殘余壓縮應(yīng)力，有效提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。然 而這種提高僅限于高周疲勞，低周疲勞時會因噴涂層較脆以及噴涂層與基體間較弱的結(jié)合 力而導(dǎo)致涂層與基體焊縫剝離，反而降低結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。為此，尋求一種既能改變焊 趾處的幾何外形，又能在焊趾處產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的新型十字焊接接頭具有重要的現(xiàn)實(shí)意 義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭，解決了現(xiàn) 有技術(shù)存在的上述問題及常規(guī)十字焊接接頭疲勞性能較弱的缺點(diǎn)。本實(shí)用新型既能降低焊 趾處的應(yīng)力集中又能在焊趾表層形成殘余壓縮應(yīng)力，同時接頭整體力學(xué)性能增強(qiáng)。
[0008] 本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0009] 具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭，在接頭基體1的表面設(shè)置金屬粉末噴焊涂 層2,其中，焊趾部位3的金屬粉末噴焊涂層2的厚度為2~5mm，接頭基體1表面的金屬粉末 噴焊涂層2的厚度為(T2mm。
[0010] 所述的金屬粉末噴焊涂層2的外表面為圓滑弧形過渡外形4。
[0011] 采用有限元模擬的方式對比本新型十字焊接接頭與常規(guī)十字焊接接頭焊趾處的 應(yīng)力集中狀況。常規(guī)十字焊接接頭焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)為2. 1?2. 6,新型十字焊接接頭焊 趾處應(yīng)力集中系數(shù)為1. 1?1. 4,應(yīng)力集中系數(shù)明顯降低，降低幅度接近2倍。高周疲勞試 驗(yàn)結(jié)果表明：超聲沖擊處理的低碳鋼十字接頭在2 X106循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度與常規(guī)十字 焊接接頭相比提高了 25%?30% ;等離子噴焊修形處理的低碳鋼十字接頭在2 X 106循環(huán)周 次下的疲勞強(qiáng)度與常規(guī)十字焊接接頭相比提高了 40%?50% ;本實(shí)用新型的新型低碳鋼十 字焊接接頭在2 X 106循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度與常規(guī)十字焊接接頭相比提高了 65%?75%。
[0012] 本實(shí)用新型的有益效果在于：結(jié)構(gòu)新穎、簡單，既能降低焊趾處的應(yīng)力集中又能在 焊趾表層形成殘余壓縮應(yīng)力，同時接頭整體力學(xué)性能增強(qiáng)。疲勞性能得到了大幅度提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 此處所說明的附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分， 本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的不當(dāng)限 定。
[0014] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2為本實(shí)用新型的應(yīng)力集中系數(shù)有限元模擬結(jié)果圖；
[0016] 圖3為常規(guī)十字焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)有限元模擬結(jié)果圖。
[0017] 圖中：1、接頭基體；2、金屬粉末噴焊涂層；3、焊趾部位；4、圓滑弧形過渡外形。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0019] 參見圖1，本實(shí)用新型的具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭，采用等離子噴焊設(shè) 備先在常規(guī)十字焊接接頭表層噴焊一層與基體形成冶金結(jié)合的高曲率半徑且表面光滑的 涂層，有效降低了接頭焊趾處的應(yīng)力集中，在此基礎(chǔ)上采用超聲沖擊設(shè)備對噴焊后接頭進(jìn) 行超聲沖擊處理，這樣又在接頭表層形成了殘余壓縮應(yīng)力，抑制疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展。新型 十字焊接接頭噴焊層在焊趾處較厚，最厚為2-5_，在焊縫中心位置可以較薄。其結(jié)構(gòu)是在 接頭基體1的表面設(shè)置金屬粉末噴焊涂層2,其中，焊趾部位3的金屬粉末噴焊涂層2的厚 度為2~5mm，接頭基體1表面的金屬粉末噴焊涂層2的厚度為(T2mm。
[0020] 所述的金屬粉末噴焊涂層2的外表面為圓滑弧形過渡外形4。
[0021] 實(shí)施例1
[0022] 本實(shí)用新型的十字焊接接頭噴焊涂層和基體焊縫試樣拋光后在1000倍下結(jié)合區(qū) 域的顯微照片顯示：噴焊涂層與焊縫之間并沒有明顯的分界線，取而代之的是一段完美的 過渡區(qū)域。出現(xiàn)這樣的原因是噴焊涂層與焊縫之間形成了完全的冶金結(jié)合，而不是點(diǎn)狀的 冶金結(jié)合和簡單的機(jī)械結(jié)合，因此等離子噴焊涂層與基體焊縫的結(jié)合強(qiáng)度將明顯增強(qiáng)，該 新型十字焊接接頭的整體力學(xué)性能也將隨之增強(qiáng)。
[0023] 實(shí)施例2
[0024] 針對母材為Q235鋼的C02焊常規(guī)十字焊接接頭以及經(jīng)過Ni80Cr3. 0B0. 15Si3. 0 粉末的等離子噴焊和超聲沖擊復(fù)合處理后的新型十字焊接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示：與 常規(guī)十字焊接接頭相比，新型十字焊接接頭對應(yīng)于2X 106循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度提高了 40-50%，壽命延長了 12-18倍。
[0025] 實(shí)施例3
[0026] 針對母材為Q235鋼的C02焊常規(guī)十字焊接接頭以及經(jīng)過強(qiáng)度更高的 Ni65Crl6B3. lSi4. 5粉末的等離子噴焊和超聲沖擊復(fù)合處理后的新型十字焊接接頭的疲勞 試驗(yàn)結(jié)果顯示：與常規(guī)十字焊接接頭相比，新型十字焊接接頭對應(yīng)于2X 106循環(huán)周次下的 疲勞強(qiáng)度提高了 60-75%，壽命延長了 15-20倍。這是因?yàn)閺?qiáng)度高的噴焊涂層經(jīng)過超聲沖擊 處理后表面殘余壓縮應(yīng)力也相應(yīng)提高，因此新型十字接頭的疲勞壽命更進(jìn)一步延長。
[0027] 實(shí)施例4
[0028] 新型十字焊接接頭焊趾處應(yīng)力集中顯著降低，如附圖2及圖3所示，結(jié)合常規(guī)十字 焊接接頭和新型十字焊接接頭尺寸，進(jìn)行了應(yīng)力集中系數(shù)的有限元模擬分析。有限元分析 結(jié)果表明：常規(guī)十字焊接接頭焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)為2. 461，基于等離子噴焊和超聲沖擊 復(fù)合法處理的新型十字焊接接頭焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)為1. 113,應(yīng)力集中系數(shù)明顯降低，降 低幅度超過2倍。
[0029] 以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng) 域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡對本實(shí)用新型所作的任何修改、 等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭，其特征在于：在接頭基體（1)的表面設(shè) 置金屬粉末噴焊涂層（2)，其中，焊趾部位（3)的金屬粉末噴焊涂層（2)的厚度為2~5mm，接 頭基體（1)表面的金屬粉末噴焊涂層（2 )的厚度為(T2mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高疲勞壽命的新型十字焊接接頭，其特征在于：所述的 金屬粉末噴焊涂層（2 )的外表面為圓滑弧形過渡外形（4)。
【文檔編號】B23K33/00GK203843384SQ201420272924
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】趙小輝, 劉宇, 鄧彩艷, 劉永, 趙帥捷, 呂殿雷, 高原, 張哲 , 劉剛 申請人:吉林大學(xué)