专利名称：改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料焊接接头的后处理方法，特别是一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法。
背景技术：
焊接接头承受静载的能力一般不低于母材，但承受交变载荷的能力与母材相去甚远，因此，导致一些焊接结构接头部位过早地引发疲劳裂纹而失效。焊接结构疲劳强度偏低的主要原因有焊缝金属导致截面突变；局部加热和不均匀冷却引起的残余应力和变形；焊趾区的焊接缺陷如咬边和夹渣等。对于具体的焊接结构，可以在焊后采取一些工艺措施，以提高其疲劳强度，如焊趾处局部打磨、喷丸、TIG焊重熔、局部加热以及低相变点焊条和超声波冲击处理等，其目的是降低应力集中、消除切口或在构件表层引进压缩残余应力，但是效果并不十分理想。
1970年Whitman和Webber提出了一种改善焊接结构疲劳性能的方法，即在焊缝焊趾处沉积低弹性模量薄层。Chadwick的试验结果表明焊趾薄层可使焊接接头的疲劳强度明显提高。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是，提供一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，该方法能够降低焊接接头处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度。
本发明通过在接头焊趾处等离子喷涂低弹性模量涂层的方法改善焊接结构的疲劳性能，接头焊趾处等离子喷涂层可改善截面形状变化，降低该处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度。
为解决上述技术问题是，本发明的改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤a.将试样焊缝处进行吹砂处理；b.在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ni/AL、Ni/Cr或McrALY，M为过渡金属Fe、Ni、Co或NiCo，底层厚度为0.03～0.07mm；c.将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为0.8～1.2mm。
所述步骤c中的涂层厚度为0.9mm。
所述步骤c中的粉末可以是自粘结一次粉。
所述步骤c中的粉末可以是复合粉。
所述步骤c中的粉末可以是合金粉。
所述步骤c中的粉末也可以是纯金属粉。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(一)本发明通过在接头焊趾处等离子喷涂低弹性模量涂层的方法改善焊接结构的疲劳性能，接头焊趾处等离子喷涂层可改善截面形状变化，降低该处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度；(二)与焊态试件相比，本发明的等离子喷涂试件的疲劳强度提高25.9％，火焰喷涂试件仅提高9.7％；(三)本发明的等离子喷涂试件的疲劳寿命是焊态试件的1.58～9.62倍，火焰喷涂试件的疲劳寿命是焊态的1.55～1.97倍；(四)本发明的等离子喷涂处理对焊接结构疲劳性能的改善效果优于火焰喷涂；(五)本发明的等离子喷涂法是改善焊接结构疲劳性能的有效方法，等离子喷涂后的1Cr18Ni9Ti接头疲劳性能明显改善；(六)有限元分析表明焊态试样焊趾处的理论应力集中系数为2.75，喷涂后焊趾处的应力集中系数显著降低。
图1为非承载十字接头图；图2为计算采用的涂层形貌模拟喷涂层图；图3为焊趾处接头网格尺寸图；图4为疲劳试件的断裂位置；图5为焊态与喷涂处理试件的拟合S-N曲线图6为焊趾区σx分布图；图7为涂层与基体界面处σy分布图；图8为涂层局部剥离后的应力分布(σx)图；图9为弹性模量对焊趾处应力的影响图；图10为涂层厚度对焊趾处应力的影响；图11为纵向角焊缝接头图；图12为纵向角焊缝接头S-N曲线。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明作详细说明。
非承载十字接头的焊接如图1所示，试样材料为1Cr18Ni9Ti板材，厚度8mm。板材的力学性能见表1。疲劳试件采用手工氩弧焊，不开坡口。焊前把钢板切成190×70和70×25的板条。为了防止和减小焊接角变形，先在侧面进行定位焊，校直后用手工氩弧焊交叉焊接四道焊缝。焊接时从试样的一端起弧到另一端熄弧，确保在焊后铣加工过程中能去掉起弧和熄弧区。焊脚4～5mm，焊接电流148A，焊接电压18V，焊丝为00Cr18Ni9。试样焊接完成后再铣加工试验段尺寸。最后将试件试验段与夹持段的圆弧过渡处打磨光滑，防止从该处断裂。
表1 1Cr18Ni9Ti的力学性能
本发明钢材或铝材的焊接方法实施例一本发明的钢材或铝材的焊接方法采用现有技术。本发明的改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤a.喷涂前将试样焊缝处进行吹砂处理。b.在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ni/AL、Ni/Cr或McrALY，M为过渡金属Fe、Ni、Co或NiCo，底层厚度为0.03～0.07mm；最好采用镍包铝底层，打底层厚度最好为0.05mm。c.将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为0.8～1.2mm；等离子喷涂粉末最好采用镍包铝和低碳钢粉。等离子喷涂低碳钢粉时采用枪外送粉，工作气体为Ar+H2，送粉气为氩气，喷涂电压85V，喷涂电流480A，涂层厚度最好为0.9mm。为了对比，取一组试样进行火焰喷涂。
本发明钢材或铝材的焊接方法实施例二与实施例一的不同之处仅在于，采用自粘结一次粉作为等离子喷涂粉末。
本发明钢材或铝材的焊接方法实施例三与实施例一的不同之处仅在于，采用复合粉作为等离子喷涂粉末。
本发明钢材或铝材的焊接方法实施例四与实施例一的不同之处仅在于，采用合金粉作为等离子喷涂粉末。
本发明钢材或铝材的焊接方法实施例五与实施例一的不同之处仅在于，采用纯金属粉作为等离子喷涂粉末。
疲劳试验方法试验在100KN高频疲劳试验机上进行，试验机的静载精度满量程为±0.2％，动载振幅波动度满量程为±2％。
施加载荷情况为所有疲劳试验均在恒幅载荷下进行，载荷类型为拉伸载荷，应力比R＝0。
应力计算计算时取非承载横向角焊缝试样，焊缝的焊趾角为45度，不开坡口，焊脚尺寸为0.6B(B为试件厚度)。喷涂层的弹性模量为Ec，焊缝的弹性模量与试板相同，为Ep，取Ep＝198GPa。用复合梁的三点弯曲试验测定涂层的弹性模量，火焰喷涂层和等离子喷涂层的弹性模量分别为97.7GPa和118.1GPa。板为弹性平面应变状态，母材、焊缝和涂层的泊松比均为0.3。
喷涂处理试件焊趾处涂层向母材圆滑过渡，采用如图2所示的涂层形貌模拟喷涂层，在如图所示的X方向施加拉伸应力180MPa。计算时采用二维平面应变模型，由于十字接头具有对称性，取其1/2进行计算。涂层及原焊缝焊趾处的网格划分如图3所示，所用单元为八节点等参元，各种状态下涂层及焊缝处均采用相同的单元尺寸0.0125B，即0.1mm，远离焊缝处的单元尺寸为2mm。
为了定义应力集中系数，将施加应力后位于焊趾区域的板表面单元的应力绘于图中，且认为绘制的应力作用在三角形单元的中心处，如无特别说明，本文中提到的焊趾均为喷涂前原焊缝的焊趾。通过将曲线外推至焊趾处得到了有效的应力集中系数。需要强调的是，本文中的应力集中系数并不是焊趾处的真实的应力集中系数，在小半径转角处(或其他尖锐的不连续处)理论上的应力集中系数是无穷大的，其值依赖于转角处的半径大小。在有限元模型中转角处的单元尺寸越小，计算得到的应力值也就越大，这说明只有使用相同的单元尺寸时计算结果才可进行相互比较。
疲劳试验结果各种接头的疲劳试验结果见表2～4。
火焰喷涂和焊态的非承载十字接头试样均断在焊趾部位，见图4a、b，等离子喷涂试样断在母材上，见图4c。从疲劳断裂后的试样断口可以看出，火焰喷涂试样焊趾处涂层发生了局部剥离，而等离子喷涂则没有局部剥离现象。等离子喷涂试样疲劳裂纹是在试验段与夹持段的圆弧过渡处起裂的，说明等离子喷涂试件的疲劳性能改善较为明显。
根据表2～4的试验结果并按疲劳强度的常规试验方法，给出喷涂处理前后试样在循环周次为2×106时的疲劳强度(存活率为50％)，结果列于表5。对比喷涂处理试件和原始焊态试件在循环周次为2×106时的疲劳强度，火焰喷涂试件与原始焊态试件相比，其疲劳强度的改善程度达9.7％；等离子喷涂试件与原始焊态试件相比，其疲劳强度约提高25.9％。
由表2～4的疲劳试验数据绘制焊态与喷涂处理试件的拟合S-N曲线，如图5所示，图中带箭头的数据表示断于母材或未断裂。对比图中相应的S-N曲线，可以看出未经处理的焊态试件的疲劳寿命在相同应力水平下，低于经过火焰喷涂的试件，火焰喷涂的试件低于经过等离子喷涂的试件；在相同疲劳寿命下，离子喷涂处理试件的疲劳强度高于火焰喷涂的试件，火焰喷涂试件的疲劳强度高于焊态试件。
表2 焊态试样的疲劳试验结果
表3 火焰喷涂试样的疲劳试验结果
表4 等离子喷涂试样的疲劳试验结果
表5 疲劳强度Δσ/2×106
试验数据统计分析与应力计算结果1疲劳试验数据的统计处理根据国际焊接学会(IIW)的有关文件，采用如下统计方法对各种焊接接头的相应疲劳实验数据进行处理，该统计处理方法的特点是在假设疲劳试验结果符合对数正态分布的前提下，用具有相同斜率m且分别对应K倍正负标准差的两条标称S-N曲线形成一数据分散带。这样处理的结果使试验数据在某一置信度下以一定的概率落在此分散带内。其中K为与试验数据的数量落在分散带内的概率及相应置信度密切相关的一个参量，称之为特征值。
该分散带的宽度与所处理试验数据的分散性(标准差)相对应。它依赖于统计处理所采用的置信水平，及试验数据落在分散带内的存活概率的大小，即与特征值K紧密相关。
国际焊接学会(IIW)指定的存活概率为95％，置信度为75％。
标称值可通过下述程序计算出1)计算所有疲劳试验数据点的应力范围Δσ或最大应力σMAX、循环次数N以10为底的对数值。
2)采用幂函数模型回归计算指数m和常数logC值mlogΔσ+logN＝logC (1)3)设Xi是试验数据的对数值，利用所获得的m值，计算logC的平均值Xm和标准偏差stdvXm=ΣXin----(2)]]>stdv=Σ(Xm-Xi)2n-1----(3)]]>4)计算特征值XkXk＝Xm-K·stdv(4)由上述公式得到的Xm和Xk分别计算对应的Cm和Ck。
按上述统计方法处理本试验中的疲劳试验数据，统计结果见表6。
为了获得相同应力水平下喷涂处理前后试件的疲劳寿命变化情况，将表中的疲劳试验结果分别按方程SmN＝C拟合(S-N曲线的参数见表6)，得到等离子喷涂试件疲劳寿命为1×107时所对应的应力范围下焊态试件、火焰喷涂试件的疲劳寿命，以及焊态试件疲劳寿命为1×105时所对应的应力范围下等离子喷涂试件、火焰喷涂试件的疲劳寿命，结果见表7。
表6 疲劳试验数据的统计结果
表7 疲劳性能对比
对比表7中的各种状态下试件的疲劳寿命，等离子喷涂试件的疲劳寿命是焊态试件的1.58～9.62倍，火焰喷涂试件的疲劳寿命是焊态的1.55～1.97倍，说明等离子喷涂试件的改善效果明显高于火焰喷涂试件。
2应力计算结果分析图6为焊态、火焰喷涂和等离子喷涂试样焊趾区的X向应力(以下称为σx)分布。焊态试样焊趾处的理论应力集中系数为2.75。火焰喷涂和等离子喷涂试样在焊趾和涂层焊趾处应力均出现极大值。火焰喷涂试件焊趾和涂层焊趾处的应力集中系数分别为1.2和1.1，等离子喷涂试件焊趾和涂层焊趾处的应力集中系数分别为1.05和1.13，应力集中系数均显著降低。
喷涂试样焊趾区涂层与基体界面处Y向应力(以下称为σy)分布见图7。火焰喷涂和等离子喷涂试样焊趾处σy出现最大值，随距焊趾距离增大，σy逐渐降低。用粘结拉伸法测试了涂层与基体的界面结合强度，喷涂层的界面结合强度及焊趾处的σy见表8。火焰喷涂层焊趾区涂层与基体界面处σy大于其界面结合强度，在疲劳加载时涂层将出现局部剥离现象。等离子喷涂试样焊趾区涂层与基体界面处σy小于涂层的界面结合强度。
火焰喷涂试样焊趾处涂层局部剥离后焊趾区域的σx分布见图6，焊趾处应力集中系数为2.56，较接近于焊态试样的2.75。图8为焊趾处涂层局部剥离后的应力(σx)，施加载荷后涂层与基体明显分离，基本不产生应力分流作用，这正是火焰喷涂试件疲劳强度低于等离子喷涂试件的原因。从疲劳试件断裂后的断口来看，火焰喷涂试样焊趾区涂层局部剥离，而等离子喷涂试样则无剥离现象，说明了有限元分析结果的正确性。
涂层厚度为1.2mm时涂层弹性模量对应力的影响见图9。随涂层弹性模量增大，涂层焊趾处的σx逐渐升高，原焊缝焊趾处的σx、σy降低。其中σy变化明显，由开始的大于涂层与基体结合强度变为低于涂层的结合强度。
涂层弹性模量为等离子喷涂层的弹性模量118.1GPa时，涂层厚度对应力的影响见图10。原焊缝焊趾处的σx、σy应力均随涂层厚度的增加而降低，但涂层焊趾处的应力逐渐增大。
表8 试样焊趾处σy及涂层结合强度
通过以上实验，可得到以下结论(1)焊态试件的疲劳强度为169.8MPa，火焰喷涂试件为186.2MPa，等离子喷涂试件为213.8MPa。与焊态试件相比，等离子喷涂试件的疲劳强度提高25.9％，火焰喷涂试件仅提高9.7％。
(2)等离子喷涂试件的疲劳寿命是焊态试件的1.58～9.62倍，火焰喷涂试件的疲劳寿命是焊态的1.55～1.97倍。
(3)等离子喷涂对焊接结构疲劳性能的改善效果优于火焰喷涂。
(4)等离子喷涂是改善焊接结构疲劳性能的有效方法，等离子喷涂后的1Cr18Ni9Ti接头疲劳性能明显改善。
(5)有限元分析表明焊态试样焊趾处的理论应力集中系数为2.75，喷涂后焊趾处的应力集中系数显著降低。焊趾处的σx、σy随涂层厚度、弹性模量的增加而降低。
(6)火焰喷涂试样焊趾附近σy大于涂层的拉伸结合强度，导致焊趾处涂层局部剥离，这是火焰喷涂改善疲劳性能效果低于等离子喷涂试样的原因。
图11是纵向角焊缝接头图。纵向角焊缝接头采用手工电弧焊，先把钢板切成190×70(作主板)和60×25(作角接板)的板条，焊前将主板铣加工成190×60mm并加工试验段尺寸40mm、110mm及R25。为了防止和减小焊接时的角变形，先在角接板中部两侧进行定位焊，然后用手工电弧焊在主板两侧交叉进行焊接。焊接时先在角接板一侧中部起弧，围绕角接板端部旋转180度后在角接板另一侧中部熄弧。焊接工艺参数见表9。纵向角焊缝接头的试验结果见表10。纵向角焊缝接头疲劳性能见表11。纵向角焊缝接头S-N曲线见图12。
表9 纵向角焊缝接头的焊接工艺参数
见表10 纵向角焊缝接头的试验结果
见表11 纵向角焊缝接头疲劳性能
权利要求
1.一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，其特征是，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤a.将试样焊缝处进行吹砂处理；b.在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ni/AL、Ni/Cr或McrALY，M为过渡金属Fe、Ni、Co或NiCo，底层厚度为0.03～0.07mm；c.将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为0.8～1.2mm。
2.根据权利要求1所述的一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，其特征是，所述步骤c中的涂层厚度为0.9mm。
3.根据权利要求1所述的一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，其特征是，所述步骤c中的粉末是自粘结一次粉。
4.根据权利要求1所述的一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，其特征是，所述步骤c中的粉末是复合粉。
5.根据权利要求1所述的一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，其特征是，所述步骤c中的粉末是合金粉。
6.根据权利要求1所述的一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，其特征是，所述步骤c中的粉末是纯金属粉。
全文摘要
本发明公开了一种本发明的改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤a.将试样焊缝处进行吹砂处理；b.在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ni/AL、Ni/Cr或McrALY，M为过渡金属Fe、Ni、Co或NiCo，底层厚度为0.03～0.07mm；c.将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为0.8～1.2mm。本发明通过在接头焊趾处等离子喷涂低弹性模量涂层的方法改善焊接结构的疲劳性能，接头焊趾处等离子喷涂层可改善截面形状变化，降低该处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度；(二)与焊态试件相比，本发明的等离子喷涂试件的疲劳强度提高25.9％，火焰喷涂试件仅提高9.7％。
文档编号C23C4/02GK1670237SQ20051001328
公开日2005年9月21日 申请日期2005年4月7日 优先权日2005年4月7日
发明者霍立兴, 王东坡, 张玉凤, 张中平 申请人:天津大学