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振动时效及超声冲击焊接残余应力消除后增强疲劳强度的研究

更新时间:2021/3/26  点击数:240


疲劳断裂是金属结构失效的主要形式之一 ,尤其是一些受动载严重的重要结构。因此 ,在焊接结构制造过程中或完成后 ,采取有效的工艺措施 ,提高它们的疲劳强度意义重大。超声冲击处理是一种新型焊后处理方法,通过改变焊趾的局部几何形状,使母材熔敷金属形成更加连续的焊缝金属,消除初始缺陷,降低局部应力集中,提高焊接接头稳定性和焊接接头耐疲劳能力及使用寿命,目前在俄罗斯 、乌克兰 、法国等国家都已广泛应用 。

我国近年来引进该技术,在桥梁、车辆等民用行业进行了应用,渤海造船厂和武昌造船厂的潜艇上也使用了该技术,在提高潜艇重要构件疲劳寿命上取得了明显效果 。该技术装置体积小 、频率高 、现场使用方便 ,具有很好的推广应用前景 。本文进行了高强度装甲钢超声冲击处理工艺技术应用的研究,大大提高了轮式车辆的焊接接头疲劳强度。

1  研究过程
1 . 1  试验装置

冲击器实物如图 1 所示 。


图 1  试验用超声冲击器

超声冲击效果验证性对比试验


1 . 2 . 1   试验方法
为了证实超声冲击处理方法对提高焊接接头疲劳强度的良好效 果 , 进行了验证性对比疲劳试验 。由于得到某一寿命下的疲劳强度需较多试件 ,研究其分散性则更加复杂 ,因此采用在某一典型应力水
平下 ,用疲劳寿命对比的方式来验证冲击方法对提高焊接接头疲劳强度的效果 。
将试件分为 2 组 ,每组 16 个试件 。第 1 组试件不采用超声冲击处理 ; 第 2 组试件在焊缝两侧焊趾部进行超声冲击处理 。将第 1 组与第 2 组的试验结果进行对比 。

1 . 2 . 2   试验材料及试件的制作
试验板材为高硬度装 甲钢 , 规 格 为 300  mm ×150 mm ×6 mm 。采用机械加工出“V ”型坡 口 , 单边 30°,留 1 mm 钝边 。采用平板对接接头形式 。焊接前用压板将待焊工件固定在工作台上 ,焊缝间留1~2 mm 的间隙 。采用直径为 11 2 mm 的奥氏体焊丝 H Cr21Ni10M n7Mo ,焊接采用富氩气保护 ,氩气纯度 ≥991 99 % 。焊接工艺参数按照装甲钢焊接规范执行 。试件除出现轻微角变形外 ,未发现有错位现象 ,在焊缝两面都形成明显的余高 。焊后用线切割裁成疲劳试验所需标准条状试样 。

1 . 2 . 3  超声冲击处理工艺
试验采用国产华云超声冲击消应力设备消除焊接残余应力 ,将超声冲击枪对准试件焊趾部位 ,与水平约成 45°, 且基本垂直于焊 缝 。冲 击针 的阵 列 沿 焊缝方向排列 ,略施压力 (保持冲击枪与试件的稳定 接触) ,使其基本在略大于执行机构 (冲击枪) 自重的 条件下进行冲击处理 。超声冲击处理工艺参数在试 焊前摸索 ,对碳钢以冲出宽度 5 mm ,深度 ≤01 5 mm 的光滑过渡凹痕为外观标准 ,对高强钢将焊趾冲击 光滑即可 。为了获得较好的改善疲劳强度的效果 , 以 01 5 m/ mi n 的处理速度来回冲击处理 4 次 ,冲击 处理过程如图 2 所示 。冲击枪在垂直于焊缝的方向 做一定角度的摆动 ,以便使焊趾部位获得更好的光 滑过渡外形 。


2  性能检测


2 . 1  残余应力的测量

2 . 1 . 1  测试方法

1)  应变片的选择 、分布与粘贴
应变片的选择 : 型号为 TJ 120 -  1 . 5 -  <1 . 5 ,电阻值 为 120 ( 1 ±0 . 2 %) Ω , 灵 敏 系 数 为 2 . 07 ( 1 ±1 %) 。
应变片的分布 :平行于焊缝方向贴片 ,取试板中间 150 mm 距离 ,每间隔 50 mm 贴 1 组应变片 ,共贴 4 片 。应变片粘贴于焊趾 ( 熔合线) 上 ,以真实反映焊趾处的残余应力值 。
应变片的粘贴 : 利用胶水将应变片在焊缝位置贴牢 。


2)  安装钻具对中
为了保证测量的准确性 ,需要采用专用钻具 。


3)  钻孔
启动手电钻开钻 ,调压器电压调至*大 ,手持电钻尽可能保持垂直工件表面 ,压力适中直至钻到预定孔深 , 拔 出钻 杆 。使 用 带 <2 mm 的麻花钻 钻杆 ,启动手电钻扩孔 ,调压器调至 60~70 V ,进刀量尽可能小 ,达到预定孔深 ,拔出钻杆 。等待 1 mi n 后读数 。


4)  数据采集
由于电阻应变效应 ,钻孔释放残余应力 ,应变片电阻发生变化 ,数据采集卡通过桥路采集到电压信号 ,并通过 B Z2205C 静态应变采集分析系统将电压值转换成应变值 。根据弹性变形理论 ,将应变值转换成应力值 (通过 B Z2205C 静态应变采集分析系统 实现) ,*终获取所需的残余应力值。

2 . 1 . 2  测试结果
采用优化后的超声冲击处理工艺对试件的焊趾部位进行超声冲击处理 ,冲击前 、后的焊缝表面形貌如图 3 、图 4 所示 。

图 3  冲击前焊缝形貌   图 4  冲击后焊缝形貌


对焊趾部位进行了超声冲击前 、后的残余应力测量 ,测量结果见表 1 。

表 1  高强度装甲钢板焊趾部位残余应力 、应变测量结果

注 :ε1 、ε2  和ε3  分别表示与焊缝成 0°、45°和 90°的应变 ,σ1 、σ2  和σ3
为其对应的应力值

表 1 数据说明 ,超声冲击消除残余应力效果非常理想 。未经处理的试板焊趾部位的残余应力为平面双向拉伸状态 ,冲击前第 1 主应力的 4 点平均值为 9 M Pa ;经超声冲击处理后的试板焊趾部位表面形成压应力层 ,冲击后第 1 主应力的 4 点平均值为- 89 M Pa ,应力值平均下降了 98 M Pa 。

2 . 2  疲劳性能测试


2 . 2 . 1  试验方法
试样标距区尺寸为 12 mm ×20 mm ,厚度为板厚约 6 mm 。由于经过焊接及加工 , 实际尺寸略有变化 ,试验时每个试样的实际截面尺寸均经过具体测量 ,数据结果见表 2 、表 3 。
疲劳试验 是在 申克 P ZV1795N 电液 伺 服疲 劳试验机上进行的 ,由应力控制 ,为拉压对称加载 ,即载荷比  R =  -  1 。频 率为 40  Hz , 加 载 波 形 为 正 弦波 。试验每组各 16 件试样 ,共 32 件试样 。疲劳循环周为 2 ×106  周 。


相应的 S - N 曲线见图 5 。


经过疲劳试验数据分析 ,得到经过冲击去除应力工艺处理的焊接接头试样在 2 ×106   周时的疲劳强度为 142 M Pa , 而未经过该工艺处理的焊接接头 试样在 2 ×106  周时的疲劳强度为 57 M Pa 。

2 . 2 . 2  试验结果与分析


表 2  经过冲击去除应力的焊接接头试样疲劳试验结果


表 3  原始焊接接头试样疲劳试验结果

图 5  经过冲击处理后的焊接接头试样与原始 焊接接头试样的疲劳 S2N 曲线

2 . 3  力学性能测试
焊接接头强度试验的8根试样取自同一块试板 ,冲击与未冲击各 4 根 ,做抗拉强度测试 ,得出数据 ,冲击前的抗拉强度平均值为 776 M Pa ,冲击后的抗拉强度平均值为 850 M Pa ,与冲击前焊件相比抗 拉强度提高了 74 M Pa 。
 
生在焊趾处 ,这是因为焊趾部位产生强烈的应力集 中 ,是整个焊接接头的薄弱环节 ,冲击后的焊件有些 则会断裂在焊缝上 。

结语

1) 未经处理的试板焊趾部位的残余应力为平 面双向拉伸状态 ,经超声波冲击处理后的试板焊趾 部位表面形成压应力层 ,说明超声波冲击处理能有 效的消除残余应力。


2)  对比疲劳试验结果表明 ,在相同载荷与试验 条件下 ,受到超声处理的高强度装甲钢焊接接头疲 劳寿命远远高于未受冲击处理的焊接接头 。使用超声冲击法改善高强度装甲钢焊接接头与结构的疲劳强度效果十分明显 。


3)  该方法实施方便 , 具有很高的实际应用价值 。

 

作者简介 :杨炙坤 ( 19852) , 男 , 主管工 艺师 , 工程师 , 主要从 事焊接技术及装配方面的研究工作 。

 


 

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