專利名稱：一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法
一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于焊接疲勞技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地說(shuō)，涉及一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，具體用于已經(jīng)通過(guò)超聲沖擊處理的，并且在循環(huán)載荷下服役一段時(shí)間但未達(dá)到設(shè)計(jì)疲勞壽命的焊接接頭，可有效延長(zhǎng)其剩余壽命。
背景技術(shù)：
疲勞指的是材料在循環(huán)載荷作用下發(fā)生的性能變化。疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一，引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值往往遠(yuǎn)小于根據(jù)靜態(tài)斷裂分析估算出來(lái)的“安全”載荷。
從焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開(kāi)始，人們就注意到焊接件同其他金屬構(gòu)件一樣，應(yīng)注重焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。然而焊接接頭又有其特殊性，一般情況下，焊接結(jié)構(gòu)具有整體性而使其剛性增大，應(yīng)力難于處于均勻狀態(tài)，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，而且集中的范圍較廣。在應(yīng)力集中處(往往是缺陷處)容易產(chǎn)生疲勞裂紋，如果裂紋在結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中繼續(xù)擴(kuò)展，就可能在一定條件下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞失效。超聲沖擊處理于1972年由俄羅斯科學(xué)家 Statnikov發(fā)明，用于船只和潛艇構(gòu)件，以加強(qiáng)疲勞性能和抗腐蝕性能?？捎糜趯?duì)碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦等多種不同材料的處理。其強(qiáng)化機(jī)理如下
I.在材料中產(chǎn)生可控的殘余壓應(yīng)力層；
2.細(xì)化晶粒，在處理表面形成可觀的強(qiáng)化層；
3.可控地改變焊趾處的局部幾何形狀，改善應(yīng)力集中。
大量研究已表明，超聲沖擊處理對(duì)材料的疲勞性能,無(wú)論在高周還是低周疲勞,都有很大幅度的提高，疲勞壽命可到達(dá)未經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理構(gòu)件的數(shù)倍。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了在表面機(jī)械強(qiáng)化處理提高疲勞壽命的基礎(chǔ)上，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)一步的提高，提供了一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，該方法在原有強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，使得疲勞壽命又有進(jìn)一步的提升，并且操作簡(jiǎn)單、可行性好，效果可觀。
本發(fā)明的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明考慮到焊接接頭經(jīng)超聲沖擊處理后，其疲勞壽命顯著增加，觀察疲勞斷口發(fā)現(xiàn)裂紋為平行于表面的線狀擴(kuò)展，不同于焊態(tài)斷口的點(diǎn)狀裂紋源環(huán)形擴(kuò)展。這是因?yàn)槌暃_擊處理時(shí)，雖在處理位置產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力、細(xì)化表面晶粒、改善應(yīng)力集中，但不可避免地引入了微小損傷，這即成為了沖擊態(tài)斷口的裂紋起裂源。
本發(fā)明的一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，即在初始經(jīng)過(guò)超聲沖擊強(qiáng)化和經(jīng)歷一段疲勞載荷后，再對(duì)焊接接頭焊趾處進(jìn)行超聲沖擊處理的方法，可有效消除一定限度下由前一次處理產(chǎn)生并緩慢擴(kuò)展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態(tài)，如此往復(fù)即可實(shí)現(xiàn)有效延長(zhǎng)經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化的焊接接頭的剩余疲勞壽命的目的。
提高經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化的焊接接頭剩余壽命的方法采用在焊接接頭經(jīng)歷一段疲勞載荷后再次對(duì)其實(shí)施超聲沖擊處理的工藝方法，使沖擊后表面恢復(fù)至前一次沖擊后狀態(tài)， 具體步驟如下
I.首先將超聲沖擊處理后的試樣進(jìn)行周次循環(huán)載荷至斷裂，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算 95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命，記作Nt
2.然后將初始超聲沖擊處理后的試樣進(jìn)行一定時(shí)間的周次循環(huán)載荷后停止加載， 重新進(jìn)行超聲沖擊處理后，再進(jìn)行周次循環(huán)載荷
3.在試樣經(jīng)過(guò)相同的循環(huán)周次疲勞載荷后，再次停止加載，對(duì)焊接接頭處進(jìn)行超聲沖擊處理后，再進(jìn)行周次循環(huán)載荷，直至斷裂
所述超聲沖擊處理集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，超生沖擊處理參數(shù)為激勵(lì)電流I. 0A，振幅26. 4μπι，沖擊針應(yīng)垂直于焊趾中心，并做小幅度(10 — 20° )橫向擺動(dòng)；在加載過(guò)程中，進(jìn)行超聲沖擊時(shí)，需要集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，將焊趾附近 IOmm區(qū)域完全覆蓋，覆蓋率達(dá)到300% (對(duì)每一個(gè)作用點(diǎn)超聲沖擊3次)，超生沖擊處理參數(shù)為激勵(lì)電流I. 0Α,振幅26. 4 μ m，沖擊針應(yīng)垂直于焊趾中心，并做小幅度(10—20° )橫向擺動(dòng)，需將上一道超聲沖擊痕跡完全覆蓋。
所述周次循環(huán)載荷的時(shí)間為步驟I中測(cè)得的95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命(記作Nt)的50%或者75%。
本發(fā)明采用超聲沖擊工藝于一定疲勞周次后對(duì)焊接接頭焊趾處進(jìn)行再次沖擊，可有效消除一定限度下由前一次處理產(chǎn)生并緩慢擴(kuò)展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態(tài)。間隔適當(dāng)?shù)钠谥艽?，即可有效延長(zhǎng)經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化的焊接接頭的剩余疲勞壽命。本發(fā)明涉及的超聲沖擊設(shè)備經(jīng)濟(jì)、輕便、操作簡(jiǎn)單。本發(fā)明提供的方法可行性強(qiáng)，效果顯著，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可選用設(shè)備停機(jī)檢查時(shí)期，做再次超聲沖擊處理。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用本發(fā)明提供的方法，有效提高經(jīng)機(jī)械強(qiáng)化焊接接頭疲勞壽命約I. 5倍。


圖I本發(fā)明實(shí)施例中疲勞試件加工形狀圖,其中尺寸為a=300mm ；b=75mm ；c=25mm ； d=52mm ;圓弧半徑 e=150mm ；f = 50mm ；g=12mm ；h=12mm ;粗糖度 i=l. 6 ;粗糖度 j=l. 6
圖2本發(fā)明實(shí)施例中第一組疲勞試驗(yàn)結(jié)果
圖3本發(fā)明實(shí)施例中第二組疲勞試驗(yàn)結(jié)果
圖4本發(fā)明實(shí)施例中第三組疲勞試驗(yàn)結(jié)果具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說(shuō)明
實(shí)施例所涉及的設(shè)備天津天東恒科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的HJ-III型超聲沖擊機(jī)、長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司制造的GPS300型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)、Miller公司生產(chǎn)的 Dimension 372型焊機(jī)。涉及的材料有S690低合金高強(qiáng)鋼、HOBART公司FabCO XTREME 120 型藥芯焊絲。
12mm厚S690板材加工60° “X”型坡口，接頭形式為承載十字接頭，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行多層多道焊，焊接規(guī)范如表I所示。然后按照?qǐng)DI加工成疲勞試驗(yàn)試件，分三組進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比R=O. 5，應(yīng)力范圍Λ o=200MPa。
第一組對(duì)焊接接頭焊趾處進(jìn)行超聲沖擊處理，處理參數(shù)為激勵(lì)電流I. 0A,振幅 26. 4 μ m，再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)至斷裂，可計(jì)算出95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命(記作 Nt)
第二組對(duì)焊接接頭焊趾處進(jìn)行超聲沖擊處理，參數(shù)同第一組，再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)， 載荷循化O. 75NT次時(shí)停止加載，進(jìn)行第二次超聲沖擊處理，再繼續(xù)加載O. 75NT次進(jìn)行第三次沖擊，如此反復(fù)至斷裂，所述第二次及其以后的超生沖擊處理采用與第一次超聲沖擊相同的參數(shù)，超聲沖擊處理需將焊趾附近IOmm區(qū)域完全覆蓋，覆蓋率達(dá)到300% (對(duì)每一個(gè)作用點(diǎn)超聲沖擊3次)，沖擊針應(yīng)垂直于焊趾中心，并做小幅度15°橫向擺動(dòng)，再次超聲沖擊處理時(shí)，需將上一道超聲沖擊痕跡完全覆蓋
第三組實(shí)施過(guò)程與第二組相似，每次循環(huán)次數(shù)縮短為O. 5NT。
表I焊接規(guī)范
權(quán)利要求
1.一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，其特征在于，在初始經(jīng)過(guò)超聲沖擊強(qiáng)化和經(jīng)歷一段疲勞載荷后，再對(duì)焊接接頭焊趾處進(jìn)行超聲沖擊處理，以消除由前一次處理產(chǎn)生并緩慢擴(kuò)展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態(tài)，然后再進(jìn)行加載，如此往復(fù)即可實(shí)現(xiàn)有效延長(zhǎng)經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化的焊接接頭的剩余疲勞壽命的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，其特征在于，在焊接接頭經(jīng)歷一段疲勞載荷后再次對(duì)其實(shí)施超聲沖擊處理，使沖擊后表面恢復(fù)至前一次沖擊后狀態(tài)，然后再進(jìn)行疲勞載荷，具體步驟如下(1)首先將超聲沖擊處理后的試樣進(jìn)行周次循環(huán)載荷至斷裂，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算95% 存活概率75%置信度下的疲勞壽命，記作Nt(2)然后將初始超聲沖擊處理后的試樣進(jìn)行一定時(shí)間的周次循環(huán)載荷后停止加載，重新進(jìn)行超聲沖擊處理后，再進(jìn)行周次循環(huán)載荷(3 )在試樣經(jīng)過(guò)相同的循環(huán)周次疲勞載荷后，再次停止加載，對(duì)焊接接頭處進(jìn)行超聲沖擊處理后，再進(jìn)行周次循環(huán)載荷，如此反復(fù)，直至斷裂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，其特征在于，所述初始超聲沖擊處理集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，超生沖擊處理參數(shù)為激勵(lì)電流I. 0A，振幅26.4μπι，沖擊針應(yīng)垂直于焊趾中心，并做小幅度10-20°橫向擺動(dòng)；在加載過(guò)程中，進(jìn)行超聲沖擊時(shí)，需要集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，將焊趾附近10_ 區(qū)域完全覆蓋，覆蓋率達(dá)到300%，超生沖擊處理參數(shù)為激勵(lì)電流I. 0Α,振幅26. 4 μ m，沖擊針應(yīng)垂直于焊趾中心，并做小幅度(10-20° )橫向擺動(dòng)，需將上一道超聲沖擊痕跡完全覆至 JHL ο
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，其特征在于，所述周次循環(huán)載荷的時(shí)間為步驟I中測(cè)得的95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命(記作Nt)的50%或者75%。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的方法在提高S690低合金高強(qiáng)鋼的焊接接頭疲勞壽命中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化的焊接接頭疲勞壽命的方法，采用超聲沖擊工藝于一定疲勞周次后對(duì)焊接接頭焊趾處進(jìn)行再次沖擊，可有效消除一定限度下由前一次處理產(chǎn)生并緩慢擴(kuò)展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態(tài)。間隔適當(dāng)?shù)钠谥艽?，即可有效延長(zhǎng)經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化的焊接接頭的剩余疲勞壽命。本發(fā)明涉及的超聲沖擊設(shè)備經(jīng)濟(jì)、輕便、操作簡(jiǎn)單。本發(fā)明提供的方法可行性強(qiáng)，效果顯著。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用本發(fā)明提供的方法，可有效提高經(jīng)機(jī)械強(qiáng)化焊接接頭的疲勞壽命約1.5倍。
文檔編號(hào)C21D10/00GK102936647SQ201210459908
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者王東坡, 夏立乾, 鄧彩艷, 吳良晨, 王志江 申請(qǐng)人:天津大學(xué)