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    4提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的最新技術(shù)

    4.1超聲沖擊處理方法近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的超聲沖擊提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的方法，其機(jī)理與錘擊和噴丸基本一致。但這種方法執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、應(yīng)用時(shí)受限少，成本低而且節(jié)能，適用于各種接頭，是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的方法。對(duì)幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對(duì)接和非承載縱向角接頭實(shí)施超聲沖擊處理，然后進(jìn)行了焊態(tài)與沖擊處理的對(duì)比疲勞試驗(yàn)，研究了超聲沖擊法改善焊接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)際效果，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2.可見(jiàn)，焊接接頭經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞強(qiáng)度提高了50%~170%，效果十分顯著。

    4.2低相變點(diǎn)焊條方法

    4.2.1提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度原理和發(fā)展

    壓縮應(yīng)力可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，已有大量的文獻(xiàn)論述，然而問(wèn)題是如何在焊接接頭中較方便的引入壓縮應(yīng)力。

    表2超聲沖擊處理前后的疲勞強(qiáng)度對(duì)比

    眾所周知，由于化學(xué)成分、合金含量和冷卻速度不同，鋼鐵材料在冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變或多次的組織轉(zhuǎn)變，這一組織轉(zhuǎn)變伴隨有體積膨脹，在拘束條件下將會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力，屬于壓縮應(yīng)力。對(duì)于焊縫金屬來(lái)說(shuō)，這將有利于殘余拉伸應(yīng)力的降低甚至出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。低相變點(diǎn)焊條（Low Transformation Temperature Welding Electrode， LTTE）就是一種利用相變應(yīng)力在焊接接頭中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的新型焊接材料。

    早在60年代，前蘇聯(lián)焊接專家就提出了低相變點(diǎn)焊條方法能夠提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有提出“低相變點(diǎn)焊條”的概念，只稱其為一種特殊焊條其堆焊金屬成分主要依靠3%-4%的Mn含量來(lái)降低相變點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冶金相變。文獻(xiàn)指出，選用這些特殊的焊條，對(duì)小試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，用這些焊條堆焊之后的疲勞強(qiáng)度要高于未堆焊試驗(yàn)75%.

    近幾年，依靠Cr和Ni降低焊接材料熔敷金屬的馬氏體相變點(diǎn)，并由于超低碳鋼材的發(fā)展，低相變點(diǎn)焊條得到了快速的發(fā)展，日本和中國(guó)在這方面進(jìn)行了大量的研究，但目前仍然在實(shí)驗(yàn)室階段。

    4.2.2 LTTE焊條改善疲勞強(qiáng)度的效果

    天津大學(xué)材料學(xué)院設(shè)計(jì)和優(yōu)化研制了低相變點(diǎn)焊條，并在各種焊接接頭上進(jìn)行了大量的疲勞試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)。

    （1）LTTE方法

    采用低相變點(diǎn)焊條LTTE和普通焊條E5015分別對(duì)橫向?qū)咏宇^、非承載十字接頭、縱向環(huán)繞角焊縫接頭、縱向平行角焊縫接頭和縱向?qū)咏宇^施焊，并進(jìn)行疲勞對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，相變點(diǎn)焊條LTTE接頭的疲勞強(qiáng)度分別比普通焊條E5015接疲勞強(qiáng)度提高11%、23%、42%、46%合59%，疲勞壽命提高幅度從幾倍到上百倍。

    表3不同類型焊接接頭疲勞強(qiáng)度的改善效果

    由于低相變點(diǎn)焊條是在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變體積膨脹而獲得的殘余壓縮應(yīng)力，因此殘余壓縮應(yīng)力的大小與焊接接頭拘束度有較大關(guān)系，拘束度越大，其殘余壓縮應(yīng)力越大，疲勞強(qiáng)度的提高效果也越大。

    （2）低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修（LTTE-dressing）方法

    然而，為使焊縫金屬在正常的冷卻速度下和在較低的溫度下發(fā)生馬氏體相變，焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點(diǎn)焊接材料的成本提高許多。如果一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的全部焊縫都采用低相變焊接材料進(jìn)行施焊，焊接結(jié)構(gòu)的成本也將大幅度增加，這是很不經(jīng)濟(jì)的。

    眾所周知，焊接接頭疲勞斷裂主要從焊趾部位開(kāi)裂，如果使焊接接頭的焊趾部位產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，則可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，而并不需要全部采用低相變點(diǎn)焊條，這樣可以降低使用成本。從這一思路考慮，天津大學(xué)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修（LTTE-dressing）提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法。采用非承載十字接頭和縱向環(huán)繞角焊縫接頭兩種接頭類型，分別對(duì)比了低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修（LTTE-dressing）和普通焊條焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，前者的疲勞強(qiáng)度分別比后者提高19.9%和41.7%，證明了這一思路的可行性和實(shí)用性，為低相變點(diǎn)焊條LTTE更合理的在工程實(shí)際中應(yīng)用進(jìn)行了前期試驗(yàn)研究，同時(shí)低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修（LTTE-dressing）接頭也可以反映低相變點(diǎn)焊條在蓋面焊縫和近焊趾蓋面焊道的應(yīng)用情況。

    4.2.3低相變點(diǎn)焊條的的優(yōu)缺點(diǎn)

    優(yōu)點(diǎn)：

    （1）低相變點(diǎn)焊條焊接方法是隨同焊接過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，避免了焊后加工處理的不方便；

    （2）低相變點(diǎn)焊條方法無(wú)需特殊的操作要求，因而操作簡(jiǎn)單方便；

    （3）低相變點(diǎn)焊接材料用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度，由于不受后續(xù)焊道熱作用的影響，它更適合于隱蔽焊縫、被覆蓋焊縫、單面焊的背面焊縫等不能進(jìn)行焊后加工處理的焊縫的疲勞強(qiáng)度提高；

    （4）LTTE焊條還可以用于焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復(fù)。

    缺點(diǎn)：焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點(diǎn)焊接%考%試|大|材料的成本提高。但可以通過(guò)LTTE-dressing等方法加以彌補(bǔ)。

    5結(jié)束語(yǔ)

    綜上所述，可見(jiàn)近年來(lái)由于焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)其承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，因此發(fā)展及推廣應(yīng)用改善焊接接頭疲勞性能的新技術(shù)對(duì)推動(dòng)焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用意義重大。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展起來(lái)的超聲沖擊技術(shù)以及使用低相變點(diǎn)焊接材料來(lái)提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法是焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能改善技術(shù)與工藝的重要研究方向。