改善焊接结构疲劳强度的工艺方法.ppt
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1、改善焊接结构疲劳强度改善焊接结构疲劳强度的工艺方法综述的工艺方法综述史春元史春元大连交通大学大连交通大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院20052005年年6 6月月 大连交通大学大连交通大学 大连铁道学院大连铁道学院 焊接接头疲劳裂纹一般启裂于位置:焊根和焊趾焊接接头疲劳裂纹一般启裂于位置:焊根和焊趾 提高接头疲劳强度的途径:提高接头疲劳强度的途径:设计合理的结构及接头形式设计合理的结构及接头形式改善焊趾部位的几何形状,降低应力集中系数改善焊趾部位的几何形状,降低应力集中系数消除或减少焊接缺欠,特别是开口缺陷消除或减少焊接缺欠,特别是开口缺陷调节焊接残余应力场,形成残余压缩应力场调节焊接
2、残余应力场,形成残余压缩应力场大连铁道学院大连铁道学院焊接结构疲劳强度的改善方法焊接结构疲劳强度的改善方法焊接过焊接过程优化程优化局部几何形状局部几何形状质量控制质量控制焊接缺欠控制焊接缺欠控制几何形状改善几何形状改善工艺过程工艺过程焊接顺序焊接顺序残余应力(残余应力(0 0)焊趾冶金处理焊趾冶金处理焊道造型焊道造型焊趾几何形状焊趾几何形状冶金和金属状态冶金和金属状态焊缝的焊缝的改改 善善局部几何形状局部几何形状机械加工机械加工焊趾研磨焊趾研磨水冲击水冲击局部重熔局部重熔TIGTIG熔修熔修等离子熔修等离子熔修残余应力残余应力应力释放方法应力释放方法热处理热处理力学处理力学处理局部加热局部加热
3、力学方法力学方法力学接触力学接触喷丸喷丸锤击锤击超声冲击超声冲击焊接焊接冲压冲压局部压缩局部压缩大连铁道学院大连铁道学院目目 录录1.1.合理设计结构形式合理设计结构形式2.2.合理选择接头形式合理选择接头形式3.3.改善焊趾几何形状,降低应力集中改善焊趾几何形状,降低应力集中 电弧熔修电弧熔修 机械加工机械加工 砂轮打磨砂轮打磨 补偿焊接补偿焊接4.4.调整焊接残余应力场,产生压缩应力调整焊接残余应力场,产生压缩应力 预过载法预过载法 挤压法挤压法 局部加热法局部加热法 GURNNERTSGURNNERTS法法 振动时效法振动时效法5.5.降低应力集中的同时产生压缩应力降低应力集中的同时产生
4、压缩应力 锤击法锤击法 喷丸法喷丸法6.6.提高接头疲劳强度的最新方法提高接头疲劳强度的最新方法 超声冲击法超声冲击法 低相变点焊条法低相变点焊条法 表面纳米化法表面纳米化法 爆炸冲击法爆炸冲击法大连铁道学院大连铁道学院1.1.合理设计结构形式合理设计结构形式 图图1 板梁的合理与不合理设计板梁的合理与不合理设计大连铁道学院大连铁道学院图图2 翼板的合理与不合理设计翼板的合理与不合理设计a)改变盖板宽度改变盖板宽度 b)改变盖板厚度改变盖板厚度大连铁道学院大连铁道学院图图3 工字梁的加筋设计工字梁的加筋设计a)加筋形状突然改变加筋形状突然改变 b)加筋形状有所改进但仍不合理加筋形状有所改进但仍
5、不合理 c)良好设计良好设计大连铁道学院大连铁道学院2.2.合理选择接头形式合理选择接头形式 基本原则:基本原则:尽量减少焊缝的数量且避免交叉焊缝尽量减少焊缝的数量且避免交叉焊缝 尽量采用连续焊缝,少用断续焊缝,其端部造成应力集中尽量采用连续焊缝,少用断续焊缝,其端部造成应力集中 设计中尽量采用应力集中系数小的对接接头设计中尽量采用应力集中系数小的对接接头 角焊缝疲劳强度低,设计中尽量采用不承载角焊缝角焊缝疲劳强度低,设计中尽量采用不承载角焊缝 承载角焊缝尽量采用开坡口焊接并焊透承载角焊缝尽量采用开坡口焊接并焊透 保证基本金属与焊缝之间的平滑过渡保证基本金属与焊缝之间的平滑过渡大连铁道学院大连
6、铁道学院3.3.改善焊趾几何形状降低应力集中的方法改善焊趾几何形状降低应力集中的方法 3.1 TIG熔修熔修 用用TIG焊在接头过渡区进行重熔,使焊缝与母材之间形成平滑过渡,降低应力集中,焊在接头过渡区进行重熔,使焊缝与母材之间形成平滑过渡,降低应力集中,并减少该部位的微小非金属夹渣物。并减少该部位的微小非金属夹渣物。TIG熔修可使承载焊缝的疲劳强度提高熔修可使承载焊缝的疲劳强度提高2575%,非承载焊缝的疲劳强度提高,非承载焊缝的疲劳强度提高95250%。表表1 IIW推荐的重熔工艺推荐的重熔工艺大连铁道学院大连铁道学院 TIG重熔位置:焊枪一般位于焊趾部位重熔位置:焊枪一般位于焊趾部位0.
7、51.5mm处,并保持重熔部位洁净。处,并保持重熔部位洁净。图图5 TIG熔修位置熔修位置大连铁道学院大连铁道学院 TIG重熔重新起弧位置:在重熔过程中发生熄弧时,一般推荐在焊道弧坑之重熔重新起弧位置:在重熔过程中发生熄弧时,一般推荐在焊道弧坑之 前的前的6mm处重新起弧。处重新起弧。图图6 TIG熔修重新起弧技巧熔修重新起弧技巧大连铁道学院大连铁道学院表表2 TIG电弧熔修后焊接接头疲劳强度提高的效果电弧熔修后焊接接头疲劳强度提高的效果大连铁道学院大连铁道学院图图7 ST52-3钢钢T型接头三点弯曲疲劳试验结果型接头三点弯曲疲劳试验结果大连铁道学院大连铁道学院3.2 机械加工机械加工 对焊缝
8、表面进行机械加工,可大大降低应力集中程度,使无缺陷焊缝的焊接接头疲对焊缝表面进行机械加工,可大大降低应力集中程度,使无缺陷焊缝的焊接接头疲劳强度达到甚至高于母材的疲劳强度。劳强度达到甚至高于母材的疲劳强度。机械加工成本高,真正需要并能加工到的部位才使用机械加工成本高,真正需要并能加工到的部位才使用 存在未焊透等缺陷时,疲劳裂纹转移到焊缝根部未焊透等缺陷处,机加工反而会降低存在未焊透等缺陷时,疲劳裂纹转移到焊缝根部未焊透等缺陷处,机加工反而会降低 接头的疲劳强度接头的疲劳强度 3.3 砂轮打磨砂轮打磨 砂轮打磨效果不如机械加工,但也是一种提高焊接接头疲劳强度的有效方法。砂轮打磨效果不如机械加工,
9、但也是一种提高焊接接头疲劳强度的有效方法。IIW推推荐采用高速电力或水力驱动的碳荐采用高速电力或水力驱动的碳-钨砂轮,转速钨砂轮,转速1500040000r/min,砂轮直径应保证打磨深砂轮直径应保证打磨深度半径等于或大于度半径等于或大于1/4板厚。砂轮打磨可使接头疲劳强度提高板厚。砂轮打磨可使接头疲劳强度提高45%以上。以上。大连铁道学院大连铁道学院图图8 IIW推荐的砂轮打磨方法推荐的砂轮打磨方法 磨削方向应沿着载荷的传递方磨削方向应沿着载荷的传递方向,否则会引起与力线方向垂直向,否则会引起与力线方向垂直的划痕而成为应力集中源。的划痕而成为应力集中源。大连铁道学院大连铁道学院图图9 焊趾打
10、磨深度焊趾打磨深度 打磨深度应保证除去焊趾处缺陷打磨深度应保证除去焊趾处缺陷正确正确不正确不正确大连铁道学院大连铁道学院图图10 用砂轮或磨盘将带有横向加强板低碳钢接头的焊缝用砂轮或磨盘将带有横向加强板低碳钢接头的焊缝焊趾磨成凹形轮廓后的疲劳试验结果焊趾磨成凹形轮廓后的疲劳试验结果 焊缝全部用砂轮磨光焊缝全部用砂轮磨光 焊趾处用磨盘磨光焊趾处用磨盘磨光焊态试件焊态试件大连铁道学院大连铁道学院3.4 补偿焊接法补偿焊接法 采用一种特殊焊条,其熔敷金属具有高的流动性,可以改善焊缝的过渡半径,获得采用一种特殊焊条,其熔敷金属具有高的流动性,可以改善焊缝的过渡半径,获得形状光滑的焊缝,降低焊趾处的应力
11、集中程度,从而提高接头的疲劳强度。形状光滑的焊缝,降低焊趾处的应力集中程度,从而提高接头的疲劳强度。对焊接位置具有较强的选择性,对焊接位置具有较强的选择性,适于平焊位和平角焊。适于平焊位和平角焊。图图11 补偿焊接法示意图补偿焊接法示意图大连铁道学院大连铁道学院4.1 预过载法预过载法 对焊接结构及接头施加拉伸载荷,使残余应力集中的部位发生屈服,卸载后该部位对焊接结构及接头施加拉伸载荷,使残余应力集中的部位发生屈服,卸载后该部位及其附近发生塑性变形的区域产生压缩应力,而结构及接头其它部位形成低于屈服点的及其附近发生塑性变形的区域产生压缩应力,而结构及接头其它部位形成低于屈服点的拉伸应力。受此处
12、理的焊接结构可提高疲劳强度。拉伸应力。受此处理的焊接结构可提高疲劳强度。4.4.调整焊接残余应力场产生压缩应力的方法调整焊接残余应力场产生压缩应力的方法 图图12 预过载对非承载角焊缝疲劳强度的影响预过载对非承载角焊缝疲劳强度的影响R=0S0 焊态下疲劳强度焊态下疲劳强度S1 预过载应力预过载应力S2 预过载后疲劳强度预过载后疲劳强度表表3 不同预加载对提高疲劳强度的影响不同预加载对提高疲劳强度的影响大连铁道学院大连铁道学院4.2 挤压法挤压法 对接头进行局部挤压可以调节焊接残余应力场,使应力集中处产生压缩残余应力,从对接头进行局部挤压可以调节焊接残余应力场,使应力集中处产生压缩残余应力,从而
13、提高接头疲劳强度。而提高接头疲劳强度。图图13 横向角焊缝的正确挤压位置横向角焊缝的正确挤压位置 挤压位置:位于需要产生残余压挤压位置:位于需要产生残余压缩应力的位置。缩应力的位置。大连铁道学院大连铁道学院图图14 挤压对不同材质提高疲劳强度的作用挤压对不同材质提高疲劳强度的作用 高强钢高强钢 低碳钢(挤压直径低碳钢(挤压直径44mm)低碳钢(挤压直径低碳钢(挤压直径19mm)高强钢强化效果高强钢强化效果比低碳钢显著比低碳钢显著大连铁道学院大连铁道学院4.3 局部加热法局部加热法 与挤压法相似,通过对接头缺口附近部位进行局部加热来调节焊接残余应力场,使应与挤压法相似,通过对接头缺口附近部位进行
14、局部加热来调节焊接残余应力场,使应力集中处产生压缩残余应力,从而提高接头疲劳强度。力集中处产生压缩残余应力,从而提高接头疲劳强度。图图15 点状局部加热位置及其效果点状局部加热位置及其效果 单面角接板:点状加热位置距离焊缝约为板单面角接板:点状加热位置距离焊缝约为板宽的宽的1/3处,疲劳强度可提高处,疲劳强度可提高145150%;双面角接板:点状加热位置为板件中心,疲双面角接板:点状加热位置为板件中心,疲劳强度可提高劳强度可提高70187%。大连铁道学院大连铁道学院图图16 点状局部加热位置及其应力分布点状局部加热位置及其应力分布大连铁道学院大连铁道学院表表4 2106循环次数下局部加热的效应
15、(疲劳强度循环次数下局部加热的效应(疲劳强度MPa)大连铁道学院大连铁道学院图图17 点状加热位置对提高疲劳强度的影响点状加热位置对提高疲劳强度的影响 a)在不正确位置加热在不正确位置加热 b)在不正确位置加热在不正确位置加热拉伸残余应力拉伸残余应力压缩残余应力压缩残余应力提高提高53%大连铁道学院大连铁道学院4.4 Gurnnerts法法 局部加热法很难局部加热法很难准确准确确定加热位置和加热温度,确定加热位置和加热温度,Gurnnert提出此方法,其要点是直接提出此方法,其要点是直接在缺口部位而不是附近部位加热到能产生塑性变形但低于相变温度在缺口部位而不是附近部位加热到能产生塑性变形但低于
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