专利名称：焊趾tig重熔后跟随激冷处理改善焊接接头疲劳强度的方法
技术领域：
本发明属于焊接技术与工程领域，主要涉及低碳钢、低合金钢的焊接结构 通过调整焊趾表面残余应力场来改善焊接接头疲劳强度的一种焊后处理方法。
技术背景焊趾TIG重熔(熔修)工艺是国际焊接学会(IIW)推荐的一种改善焊接接 头疲劳强度的焊后处理方法，该方法是以钨极氩弧为热源，将焊趾重新熔化， 清除可能存在的咬边、显微夹渣等缺陷，同时形成过渡均匀的重熔区，使焊缝与 母材之间实现圆滑过渡，减小应力集中，提高接头的疲劳强度。与其它提高焊接 接头疲劳强度的工艺方法比较，TIG重熔技术具有工艺简单，使用方便，价格低 廉、没有噪声等优点，因此在造船及海洋平台、铁道车辆、铁路桥梁、起重机、 石油管线、化工容器等工业领域得到应用。但是，利用TIG电弧将焊趾重新加热熔化、冷却凝固后，焊趾区仍呈现出 高的残余拉伸应力状态，使得改善接头疲劳强度的效果大受限制，同时对接头 疲劳强度改善的程度也存在着显著差别，疲劳试验数据离散性大，有时甚至存 在降低接头疲劳强度的可能性。因此消除焊趾残余拉应力是解决上述问题的关 键。传统消除残余应力的方法主要有振动时效处理(VRS)和整体辉接结构去 应力退火处理。前者需要专用设备，且去除残余应力的效果十分有限；后者消 除残余应力的效果较好，但整体退火处理耗能大、效率低。对于大型焊接结构， 如桥梁、船体、海洋平台等，采用这两种方法进行整体处理在客观上也是不可 能实现的。发明内容本发明的目的是通过悍趾TIG重熔后跟随喷淋激冷处理来调整焊趾区残余应力场，使焊趾表面的残余拉应力转变为双向压应力状态，从而大大改善焊接接头的疲劳强度，提高焊接结构安全运行的可靠性及使用寿命。本发明的技术方案是在焊接接头(对接或角接)的焊趾区，用TIG电弧对 焊趾进行加热熔化，当重熔区在空气下自然冷却、凝固并降到一定温度时，用 水作为冷却介质对重熔层进行喷淋处理，使该区金属紧急收缩形成双向的压应力场。焊趾TIG重熔后跟随激冷处理改善焊接接头疲劳强度的方法的具体步骤 是(1) 处理前，先清除焊趾表面上的铁锈及飞溅物，必要时可用砂轮轻轻打 磨清理；(2) 以TIG电弧为热源按照预先设定好的工艺参数沿着焊趾迸行重熔，电 弧轴线与铅垂线之间的夹角为(T ~30° ，且位于焊趾外侧0.5mm 1.5mm处；(3) 当焊趾TIG重熔区温度降低到临界温度以上100。C 20(rC时，用水作 为冷源对重熔区进行喷淋处理，冷源强度根据材质、板厚及激冷处理时TIG重 熔区的温度调整；(4) 焊趾TIG重熔区激冷处理后，将焊件烘干以防生锈。 焊趾TIG重熔工艺参数为钨极直径d)3.2mm，喷嘴直径4)12mm，保护气体为氩气> 氩气流量为10 12L/min，电流为170 180A，电压为14 18V， 速度为13 16cm/min，临界温度为450。C。'焊趾TIG重熔后跟随激冷处理调节残余应力场的原理为焊态下，焯缝及其近缝区(包括焊趾)呈残余拉应力状态。用TIG电弧在焊趾处重熔处理，相当于不加填充金属的TIG焊接过程。在TIG电弧的加热过程中，焊趾重熔区加热熔化，形成液态金属熔池，其邻近区域的固态金属受热膨胀，热膨胀量受到周围较冷区域金属的约束作用，形成了不均匀的压縮塑性变形；在冷却过程中，重熔区液态金属凝固收縮时受到周围固态金属的约束而形成残余拉应力，邻近重熔区并己发生压縮塑性变形的这部分固态金属也受到其周围金属在不同程度上的拉伸作用，最终形成残余拉应力。可见，焊趾通过TIG重熔后仍为双向残 余拉应力场。当焊趾TIG重熔区凝固后降低到某一温度时，用水作激冷源对焊趾重熔区 表面进行喷淋处理，使呈拉应力状态的重熔区及邻近部位急速收縮。当收缩应 力克服材料在此温度下的屈服极限时，重熔区产生拉伸塑性变形。如果重熔区 温度超过某一临界值，则其拉伸塑性变形在全部抵消原来的压縮塑性变形量的 同时，还剩余了拉伸塑性变形量。当焊趾重熔区冷却到室温时，此剩余的拉伸 塑性变形受到周围金属的刚性挤压作用而形成双向的残余压应力场。设焊趾TIG重熔区进行激冷处理的临界温度为Tcr，则当T〈Tcr时，重熔区呈残余拉应力状态当了〉Tcr时，重熔区呈残余压应力状态当T二Tcr时，重熔区呈无应力的临界状态对于厚度14 mm的Q345低合金结构钢焊接构件，焊趾TIG重熔区进行激冷 处理的临界温度值Tcr为45(TC。本发明的优点是.* 1)通过对焊趾TIG电弧重熔区的激冷处理，可在焊趾表层形成残余压应力场，大幅度改善了焊接接头的疲劳强度；2)该工艺方法兼顾了 TIG重熔改善焊趾几何形状和重熔区激冷处理改善焊趾残余应力状态各自的优点，且具有设备简单、操作方便，效果显著，质量容易检查和控制，没有噪声，不污染环境等优点，易于推广使用；3)可取代焊趾砂轮打磨工艺和焊后整体结构退火处理方法，大幅度提高生产效率，降低能源消耗和制造成本；4)适用范围广。不仅可用于普通低碳钢、低合金结构钢等非淬火钢，还可推广使用于铝合金、钛合金等金属材料。可在船舶、机械、车辆、冶金、石油、化工等行业推广应用。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。， 图l为焊趾TIG重熔后跟随激冷处理工艺过程示意图具体实施方式
实施例1铁道车辆转向架焊接构架T形角接头的焊趾TIG重熔后激冷处理工艺。材 料选用Q345-C低合金结构钢(厚度14mm)，焊趾TIG重熔工艺参数钩极直径 4)3. 2咖，喷嘴直径4)12咖，氩气流量10L/min，电流170 180A，电压14 18V， 速度13 16cin/min。 TIG重熔时，焊炬与立板的夹角约为30° ，电弧轴线位于 焊趾外侧1 1. 5mm处。焊趾TIG重熔层激冷处理工艺焊趾TIG重熔层温度下 降到不低于50(TC时，将具有一定压力的水流通过特制喷嘴喷淋到焊趾重熔区表 面进行激冷处理，水流喷嘴与TIG焊炬之间留有合适的距离，以保证喷淋位置 处重熔层温度不低于50(TC。釆用盲孔法测试焊趾处残余应力的结果在焊态下， 平行焊缝方向的ox二167MPa，垂直焊缝方向的oy^26MPa;悍趾TIG重熔后， ox=161MPa， oy二67MPa;焊趾TIG重熔后冷却到550。C时喷淋处理，o x=-176MPa， oy=-123MPa。显然，通过本工艺方法处理后在焊趾区形成双向压应力场。疲劳 试验结果表明，与焊态相比，T型接头的疲劳强度提高了 1.2倍。实施例2板材对接接头的焊趾TIG重熔后激冷处理工艺。材料选用16MnR低合金钢 (厚度14ram)，焊趾TIG重熔及重熔层激冷处理工艺参数与实施例l相同。TIG 重熔时，焊炬垂直焊接试板，电弧轴线位于焊趾外侧0.5 1.0皿处。残余应力 测试结果为焊态下，ox=215MPa， oy=164MPa;焊趾TIG重熔后，ox=155MPa， oy=129MPa;焊趾TIG重熔后冷却到550。C时喷淋处理，o x二-209MPa， oy=-198MPa。可见，通过本工艺方法处理后在焊趾区也形成有利于提高疲劳强度 的双向压縮应力场。
权利要求
1、焊趾TIG重熔后跟随激冷处理改善焊接接头疲劳强度的方法，其特征在于，步骤是(1)处理前，先清除焊趾表面上的铁锈及飞溅物，必要时可用砂轮轻轻打磨清理；(2)以TIG电弧为热源按照预先设定好的工艺参数沿着焊趾进行重熔，电弧轴线与铅垂线之间的夹角为0°～30°，且位于焊趾外侧0.5mm～1.5mm处；(3)当焊趾TIG重熔区温度降低到临界温度以上100℃～200℃时，用水作为冷源对重熔区进行喷淋处理，冷源强度根据材质、板厚及激冷处理时TIG重熔区的温度调整；(4)焊趾TIG重熔区激冷处理后，将焊件烘干以防生锈。
2、根据权利要求1所述的焊趾TIG重熔后跟随激冷处理改善焊接接头疲劳 强度的方法，其特征在于，所述的焊趾TIG重熔工艺参数为鸨极直径4) 3. 2mm， 喷嘴直径4)12mm，保护气体为氩气，氩气流量为10 12L/min，电流为170 麵，电压为14 18V，速度为13 16cm/min，临界温度为450。C。
全文摘要
本发明介绍了焊接接头通过焊趾TIG重熔后跟随喷淋激冷处理来调整焊趾残余应力场，使TIG重熔区原始残余拉应力场转变为有利于提高接头疲劳强度的压缩应力场的一种焊后处理方法。本方法兼顾了TIG重熔改善焊趾几何形状和重熔区激冷处理改善焊趾残余应力状态各自的优点，且具有设备简单、操作方便，效果显著，质量容易检查和控制，没有噪声，不污染环境等优点，可用于低碳钢、低合金钢等非淬火钢，以及铝合金、钛合金等金属的焊接结构，在船舶及海洋平台、铁道车辆、铁路桥梁、起重机、石油管线、化工容器等工业领域推广应用。
文档编号C22F1/00GK101270459SQ20071015934
公开日2008年9月24日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者丁成钢, 史春元, 平 朱, 焦建强 申请人:大连交通大学