專利名稱：一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法
一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法技術領域
本發明屬于焊接疲勞技術領域，更加具體地說，涉及一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，具體用于已經通過超聲沖擊處理的，并且在循環載荷下服役一段時間但未達到設計疲勞壽命的焊接接頭，可有效延長其剩余壽命。
背景技術：
疲勞指的是材料在循環載荷作用下發生的性能變化。疲勞破壞是工程結構和機械失效的主要原因之一，引起疲勞失效的循環載荷的峰值往往遠小于根據靜態斷裂分析估算出來的“安全”載荷。
從焊接結構的應用開始，人們就注意到焊接件同其他金屬構件一樣，應注重焊接構件的疲勞強度設計。然而焊接接頭又有其特殊性，一般情況下，焊接結構具有整體性而使其剛性增大，應力難于處于均勻狀態，容易產生較大的應力集中，而且集中的范圍較廣。在應力集中處(往往是缺陷處)容易產生疲勞裂紋，如果裂紋在結構使用過程中繼續擴展，就可能在一定條件下導致結構的破壞失效。超聲沖擊處理于1972年由俄羅斯科學家 Statnikov發明，用于船只和潛艇構件，以加強疲勞性能和抗腐蝕性能。可用于對碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦等多種不同材料的處理。其強化機理如下
I.在材料中產生可控的殘余壓應力層；
2.細化晶粒，在處理表面形成可觀的強化層；
3.可控地改變焊趾處的局部幾何形狀，改善應力集中。
大量研究已表明，超聲沖擊處理對材料的疲勞性能,無論在高周還是低周疲勞,都有很大幅度的提高，疲勞壽命可到達未經過超聲沖擊處理構件的數倍。發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，為了在表面機械強化處理提高疲勞壽命的基礎上，對焊接結構疲勞壽命進一步的提高，提供了一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，該方法在原有強化的基礎上，使得疲勞壽命又有進一步的提升，并且操作簡單、可行性好，效果可觀。
本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現
本發明考慮到焊接接頭經超聲沖擊處理后，其疲勞壽命顯著增加，觀察疲勞斷口發現裂紋為平行于表面的線狀擴展，不同于焊態斷口的點狀裂紋源環形擴展。這是因為超聲沖擊處理時，雖在處理位置產生了殘余壓應力、細化表面晶粒、改善應力集中，但不可避免地引入了微小損傷，這即成為了沖擊態斷口的裂紋起裂源。
本發明的一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，即在初始經過超聲沖擊強化和經歷一段疲勞載荷后，再對焊接接頭焊趾處進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生并緩慢擴展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態，如此往復即可實現有效延長經超聲沖擊強化的焊接接頭的剩余疲勞壽命的目的。
提高經超聲沖擊強化的焊接接頭剩余壽命的方法采用在焊接接頭經歷一段疲勞載荷后再次對其實施超聲沖擊處理的工藝方法，使沖擊后表面恢復至前一次沖擊后狀態， 具體步驟如下
I.首先將超聲沖擊處理后的試樣進行周次循環載荷至斷裂，并根據測試結果計算 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行一定時間的周次循環載荷后停止加載， 重新進行超聲沖擊處理后，再進行周次循環載荷
3.在試樣經過相同的循環周次疲勞載荷后，再次停止加載，對焊接接頭處進行超聲沖擊處理后，再進行周次循環載荷，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，超生沖擊處理參數為激勵電流I. 0A，振幅26. 4μπι，沖擊針應垂直于焊趾中心，并做小幅度(10 — 20° )橫向擺動；在加載過程中，進行超聲沖擊時，需要集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，將焊趾附近 IOmm區域完全覆蓋，覆蓋率達到300% (對每一個作用點超聲沖擊3次)，超生沖擊處理參數為激勵電流I. 0Α,振幅26. 4 μ m，沖擊針應垂直于焊趾中心，并做小幅度(10—20° )橫向擺動，需將上一道超聲沖擊痕跡完全覆蓋。
所述周次循環載荷的時間為步驟I中測得的95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命(記作Nt)的50%或者75%。
本發明采用超聲沖擊工藝于一定疲勞周次后對焊接接頭焊趾處進行再次沖擊，可有效消除一定限度下由前一次處理產生并緩慢擴展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態。間隔適當的疲勞周次，即可有效延長經超聲沖擊強化的焊接接頭的剩余疲勞壽命。本發明涉及的超聲沖擊設備經濟、輕便、操作簡單。本發明提供的方法可行性強，效果顯著，實際應用過程中可選用設備停機檢查時期，做再次超聲沖擊處理。經試驗驗證，采用本發明提供的方法，有效提高經機械強化焊接接頭疲勞壽命約I. 5倍。
圖I本發明實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本發明實施例中第一組疲勞試驗結果
圖3本發明實施例中第二組疲勞試驗結果
圖4本發明實施例中第三組疲勞試驗結果具體實施方式
下面結合具體實施例進一步對本發明的技術方案作詳細說明
實施例所涉及的設備天津天東恒科技發展有限公司生產的HJ-III型超聲沖擊機、長春機械科學研究院有限公司制造的GPS300型高頻疲勞試驗機、Miller公司生產的 Dimension 372型焊機。涉及的材料有S690低合金高強鋼、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，采用二氧化碳氣體保護焊進行多層多道焊，焊接規范如表I所示。然后按照圖I加工成疲勞試驗試件，分三組進行疲勞試驗，應力比R=O. 5，應力范圍Λ o=200MPa。
第一組對焊接接頭焊趾處進行超聲沖擊處理，處理參數為激勵電流I. 0A,振幅 26. 4 μ m，再進行疲勞試驗至斷裂，可計算出95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命(記作 Nt)
第二組對焊接接頭焊趾處進行超聲沖擊處理，參數同第一組，再進行疲勞試驗， 載荷循化O. 75NT次時停止加載，進行第二次超聲沖擊處理，再繼續加載O. 75NT次進行第三次沖擊，如此反復至斷裂，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，超聲沖擊處理需將焊趾附近IOmm區域完全覆蓋，覆蓋率達到300% (對每一個作用點超聲沖擊3次)，沖擊針應垂直于焊趾中心，并做小幅度15°橫向擺動，再次超聲沖擊處理時，需將上一道超聲沖擊痕跡完全覆蓋
第三組實施過程與第二組相似，每次循環次數縮短為O. 5NT。
表I焊接規范
權利要求
1.一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，其特征在于，在初始經過超聲沖擊強化和經歷一段疲勞載荷后，再對焊接接頭焊趾處進行超聲沖擊處理，以消除由前一次處理產生并緩慢擴展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態，然后再進行加載，如此往復即可實現有效延長經超聲沖擊強化的焊接接頭的剩余疲勞壽命的目的。
2.根據權利要求I所述的一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，其特征在于，在焊接接頭經歷一段疲勞載荷后再次對其實施超聲沖擊處理，使沖擊后表面恢復至前一次沖擊后狀態，然后再進行疲勞載荷，具體步驟如下(1)首先將超聲沖擊處理后的試樣進行周次循環載荷至斷裂，并根據測試結果計算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行一定時間的周次循環載荷后停止加載，重新進行超聲沖擊處理后，再進行周次循環載荷(3 )在試樣經過相同的循環周次疲勞載荷后，再次停止加載，對焊接接頭處進行超聲沖擊處理后，再進行周次循環載荷，如此反復，直至斷裂。
3.根據權利要求2所述的一種提高經表面機械強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，超生沖擊處理參數為激勵電流I. 0A，振幅26.4μπι，沖擊針應垂直于焊趾中心，并做小幅度10-20°橫向擺動；在加載過程中，進行超聲沖擊時，需要集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，將焊趾附近10_ 區域完全覆蓋，覆蓋率達到300%，超生沖擊處理參數為激勵電流I. 0Α,振幅26. 4 μ m，沖擊針應垂直于焊趾中心，并做小幅度(10-20° )橫向擺動，需將上一道超聲沖擊痕跡完全覆至 JHL ο
4.根據權利要求2所述的一種提高經表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，其特征在于，所述周次循環載荷的時間為步驟I中測得的95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命(記作Nt)的50%或者75%。
5.如權利要求1-4之一所述的方法在提高S690低合金高強鋼的焊接接頭疲勞壽命中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種提高經表面機械強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焊接接頭焊趾處進行再次沖擊，可有效消除一定限度下由前一次處理產生并緩慢擴展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態。間隔適當的疲勞周次，即可有效延長經超聲沖擊強化的焊接接頭的剩余疲勞壽命。本發明涉及的超聲沖擊設備經濟、輕便、操作簡單。本發明提供的方法可行性強，效果顯著。經試驗驗證，采用本發明提供的方法，可有效提高經機械強化焊接接頭的疲勞壽命約1.5倍。
文檔編號C21D10/00GK102936647SQ201210459908
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者王東坡, 夏立乾, 鄧彩艷, 吳良晨, 王志江 申請人:天津大學