超聲沖擊法提高低碳鋼焊接接頭疲勞強度的研究

孟凡鴻 王澤三 王振品

【摘 ?要】疲勞壽命的長短直接影響焊接節點的使用壽命，進而影響工件或設備的使用年限，因此如何延長疲勞壽命的方法一直是焊接界的重點研究方向。提高焊接接頭的疲勞壽命可以從多方面入手，如：改善工藝技術，增加母材厚度，改變接頭設計等。本研究分析了當書面工藝獲得工程師批準后，通過調整關鍵性的焊縫外觀細節來提高焊接接頭疲勞壽命的方法。

【關鍵詞】焊接接頭;疲勞極限;超高周疲勞;超聲沖擊處理

中圖分類號：TG405 ? ?文獻標識碼：A

引言

結構鋼母材及其對接接頭在超高周壽命區間還會發生斷裂，不存在傳統意義上的疲勞極限;而十字接頭在超高周壽命區間存在疲勞極限。觀察焊接接頭的斷口，可以發現焊接接頭試樣在低周疲勞區大多在焊接接頭結合處發生疲勞斷裂，而在高周疲勞區多發生在焊接熱影響區處。通過超聲沖擊對焊接接頭處理，可以明顯地消除焊接接頭的焊趾上的缺陷，改善應力集中，從而提高焊接接頭的超高周疲勞性能。

1、概述

焊接接頭承受靜載的能力一般不低于母材，但由于接頭應力集中和焊接殘余應力等因素其承受交變動載荷的能力與母材相差甚遠，是結構的薄弱環節。疲勞斷裂是接頭失效的主要形式，因此采取有效工藝提高焊接接頭的疲勞強度是十分重要的。錘擊、噴丸處理是目前改善焊接接頭疲勞性能最為普遍的方法.但普通錘擊法效率低、噪聲大、可控性差且勞動強度大、效果不穩定;噴丸處理設備龐大、不適合野外和高空作業，安全防護和丸粒回收存在很大問題。超聲沖擊執行機構輕巧、使用靈活方便、效率高、噪音小、成本低、適用性強。超聲沖擊提高疲勞強度在低應力比下已被廣泛應用，目前在高應力比下，超聲沖擊改善疲勞強度的機理研究尚未深入。通常情況構件服役之前使用超聲沖擊技術對焊接接頭實施處理，對處于承載狀態采用超聲沖擊方法改善其焊接接頭疲勞性能機理的研究在國內外還很少。因此，研究超聲沖擊在承載狀態、高應力比加載條件下改善焊接接頭疲勞性能對于指導實際應用有重大的意義。文中對比超聲沖擊在非承載、承載狀態下提高疲勞強度的能力，并對承載沖擊提高焊接接頭疲勞強度進行了分析。

2、提高焊接接頭耐疲勞性的原理

LTT焊接材料是利用焊接后焊縫金屬冷卻過程中的相變膨脹，緩解焊接后產生的殘余拉伸應力的材料。使用普通焊接材料焊接時，焊縫金屬在700℃以上的高溫區發生相變，相變后的焊縫金屬的熱收縮受到母材的拘束，產生殘余拉伸應力。而LTT焊接材料的相變開始溫度在500℃以下，焊縫金屬的相變膨脹一直持續到接近室溫，所以焊后焊縫金屬的殘余應力是很小的拉伸應力或是壓縮應力。關于鋼鐵材料馬氏體轉變溫度（Ms點）已經進行了許多研究。（1）式是馬氏體轉變開始溫度公式。Ms=529-382×（%C）-31×（%Mn）-18×（%Ni）-9×（%Mo）-5×（%V）-33x（%C）×（%Cr）（1）從（1）式可知，添加C、Mn、Ni可以降低焊縫金屬的馬氏體轉變開始溫度。過去開發出的LTT焊接材料的主要添加元素Ni含量約為10%，使焊縫金屬轉變溫度下降到200℃以下。Ni雖然對于降低焊縫金屬轉變溫度有效，但使焊縫金屬的抗熱裂性下降并使焊縫金屬強度過度升高，以及焊接材料成本增加。這些都影響了LTT焊接材料的實用化。本研究用可以降低馬氏體轉變開始溫度的Mn替代Ni，開發出新型的LTT焊接材料。

3、附加焊接法

LTT焊接材料的成分使得焊縫金屬具有高強度、高韌性，可以提高焊接接頭的疲勞強度，但存在著焊接區脆性斷裂和延遲斷裂的可能性。因此僅簡單地用LTT焊接材料替代傳統焊接材料不能提高焊接接頭的力學性能。為此，神戶制鋼開發出用于LTT焊接材料的焊接方法。設計規范將十字焊接接頭和角撐板焊接接頭等角焊的焊趾確定為容易產生應力集中、成為斷裂起點的部位。采用LTT焊接材料將可以提高這些部位的疲勞強度。但是，，在橫板和縱板交叉部位進行角焊這樣的部分熔透焊接（以下稱為主焊接、主焊道）時，在焊趾和焊根會產生很大的應力集中。因此，將LTT焊接材料用于主焊縫時，存在著發生焊根裂紋，甚至鋼結構有脆性斷裂的危險。為防止這些問題的發生，主焊道使用傳統的490MPa級鋼用焊接材料，焊接成良好的焊接接頭，用LTT焊接材料在主焊道焊趾進行堆焊，用來緩解主焊道焊趾的拉伸殘余應力。這種焊接方法叫做附加焊接法。采用附加焊接法增加了焊縫的厚度和長度，緩解了宏觀應力集中。

4、超聲沖擊處理對焊接接頭超高周疲勞性能的影響

超聲沖擊處理是一種效率很高的焊接接頭表面改性技術，主要原理是消除零件表面有害的拉應力，引進有益的壓應力。超聲沖擊設備的工作原理是通過大功率的能量使沖擊頭以20kHz的頻率作用在金屬表面，在高能量、高頻率的作用下，金屬表面會產生比較大的彈塑性變形;同時使金屬表面應力場發生了改變，引進了有益的壓應力;高能量使金屬表面產生很高的熱量，然后又迅速冷卻，使金屬表面的組織發生改變，強化了受沖擊部位。超聲沖擊對SMA490BW鋼對接接頭超高周勞性能的影響，試驗結果表明，在108循環周次下，超聲沖擊態的焊接接頭的疲勞強度為195MPa，而焊態接頭為141MPa，相比之下提高了38.3%;在相同的應力水平下，超聲沖擊態的壽命也比焊態的高。超聲沖擊對轉向架焊接十字接頭表層組織及超高周疲勞性能的影響，結果表明，隨著循環周次的提高，超聲沖擊對提高焊接接頭的疲勞強度的效果越來越顯著。超聲沖擊對Q235鋼和16Mn鋼焊接接頭的疲勞強度的影響，結果表明：與107周次相比，在109周次時，Q235鋼和16Mn鋼原始焊態的疲勞強度分別下降了61.1%和60.4%，而Q235鋼和16Mn鋼超聲沖擊態的疲勞強度分別下降了32.1%和41.0%，明顯地提高了疲勞強度。劉永杰等[18]研究了Q345鋼焊接接頭超高周疲勞試驗，結果表明，在107循環周次下，焊態接頭的疲勞強度為175.7MPa，經過一次噴丸處理后，焊接接頭的疲勞強度為198.5MPa，提高了12.9%;經過加強噴丸后，焊接接頭的疲勞強度為224.2MPa，提高了27.3%。由此可見，噴丸也可以提高焊接接頭超高周疲勞強度。超聲沖擊改善焊接接頭的疲勞性能主要是有兩方面的原因，一是在焊趾部位形成殘余應力，二是改善了焊趾的幾何外形，增加了焊趾區的過渡半徑，降低了焊接接頭的應力集中。王東坡等[30]研究超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞強度的機理，主要從降低焊趾區的應力集中、改善焊趾區的幾何外形、減少焊趾區的缺陷及焊趾區的材質硬化、在焊趾區表面引入較大的殘余壓應力等幾方面分析，結果表明，通過增大焊趾區的過渡半徑，可以實現降低焊接接頭的應力集中的效果;超聲沖擊處理可以改善焊趾的幾何外形，使焊趾區的材質硬化及在焊趾區表面形成壓應力，降低了應力循環比，使得焊趾區的幾何外形得到改善，提高了疲勞強度。超聲沖擊處理和噴丸處理提高焊接接頭的超高周疲勞性能主要是經過超聲沖擊處理和噴丸處理可以明顯地消除焊接接頭焊趾上的缺陷，改善應力集中，還可以在表面形成殘余應力，同時也使得裂紋源從表面萌生轉變為從次表面萌生，達到延長焊接接頭的壽命。

結束語

焊接接頭承受靜載的能力一般不低于母材，但由于接頭應力集中和焊接殘余應力等因素其承受交變動載荷的能力與母材相差甚遠，是結構的薄弱環節.疲勞斷裂是接頭失效的主要形式，因此采取有效工藝提高焊接接頭的疲勞強度是十分重要的。

參考文獻：

[1]喬燕，蔣軍.鋼焊接接頭疲勞性能研究[J].焊接技術，2018，47（04）：57-60.

[2]林慶琳.焊接接頭的腐蝕疲勞性能分析[J].科技風，2018（10）：127.

[3]晁耀杰，李宏佳，李欽杰焊接接頭組織對疲勞斷裂的影響[J].焊接技術，2017，46（08）：5-9.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）