专利名称：一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法
一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法技术领域
本发明属于焊接疲劳技术领域，更加具体地说，涉及一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，具体用于已经通过超声冲击处理的，并且在循环载荷下服役一段时间但未达到设计疲劳寿命的焊接接头，可有效延长其剩余寿命。
背景技术：
疲劳指的是材料在循环载荷作用下发生的性能变化。疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。
从焊接结构的应用开始，人们就注意到焊接件同其他金属构件一样，应注重焊接构件的疲劳强度设计。然而焊接接头又有其特殊性，一般情况下，焊接结构具有整体性而使其刚性增大，应力难于处于均匀状态，容易产生较大的应力集中，而且集中的范围较广。在应力集中处(往往是缺陷处)容易产生疲劳裂纹，如果裂纹在结构使用过程中继续扩展，就可能在一定条件下导致结构的破坏失效。超声冲击处理于1972年由俄罗斯科学家 Statnikov发明，用于船只和潜艇构件，以加强疲劳性能和抗腐蚀性能。可用于对碳钢、不锈钢、铝、钛等多种不同材料的处理。其强化机理如下
I.在材料中产生可控的残余压应力层；
2.细化晶粒，在处理表面形成可观的强化层；
3.可控地改变焊趾处的局部几何形状，改善应力集中。
大量研究已表明，超声冲击处理对材料的疲劳性能,无论在高周还是低周疲劳,都有很大幅度的提高，疲劳寿命可到达未经过超声冲击处理构件的数倍。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，为了在表面机械强化处理提高疲劳寿命的基础上，对焊接结构疲劳寿命进一步的提高，提供了一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，该方法在原有强化的基础上，使得疲劳寿命又有进一步的提升，并且操作简单、可行性好，效果可观。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现
本发明考虑到焊接接头经超声冲击处理后，其疲劳寿命显著增加，观察疲劳断口发现裂纹为平行于表面的线状扩展，不同于焊态断口的点状裂纹源环形扩展。这是因为超声冲击处理时，虽在处理位置产生了残余压应力、细化表面晶粒、改善应力集中，但不可避免地引入了微小损伤，这即成为了冲击态断口的裂纹起裂源。
本发明的一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，即在初始经过超声冲击强化和经历一段疲劳载荷后，再对焊接接头焊趾处进行超声冲击处理的方法，可有效消除一定限度下由前一次处理产生并缓慢扩展的微小裂纹，使冲击后的表面回归至前一次冲击后的状态，如此往复即可实现有效延长经超声冲击强化的焊接接头的剩余疲劳寿命的目的。
提高经超声冲击强化的焊接接头剩余寿命的方法采用在焊接接头经历一段疲劳载荷后再次对其实施超声冲击处理的工艺方法，使冲击后表面恢复至前一次冲击后状态， 具体步骤如下
I.首先将超声冲击处理后的试样进行周次循环载荷至断裂，并根据测试结果计算 95%存活概率75%置信度下的疲劳寿命，记作Nt
2.然后将初始超声冲击处理后的试样进行一定时间的周次循环载荷后停止加载， 重新进行超声冲击处理后，再进行周次循环载荷
3.在试样经过相同的循环周次疲劳载荷后，再次停止加载，对焊接接头处进行超声冲击处理后，再进行周次循环载荷，直至断裂
所述超声冲击处理集中在焊接焊头位置，尤其是焊趾处，超生冲击处理参数为激励电流I. 0A，振幅26. 4μπι，冲击针应垂直于焊趾中心，并做小幅度(10 — 20° )横向摆动；在加载过程中，进行超声冲击时，需要集中在焊接焊头位置，尤其是焊趾处，将焊趾附近 IOmm区域完全覆盖，覆盖率达到300% (对每一个作用点超声冲击3次)，超生冲击处理参数为激励电流I. 0Α,振幅26. 4 μ m，冲击针应垂直于焊趾中心，并做小幅度(10—20° )横向摆动，需将上一道超声冲击痕迹完全覆盖。
所述周次循环载荷的时间为步骤I中测得的95%存活概率75%置信度下的疲劳寿命(记作Nt)的50%或者75%。
本发明采用超声冲击工艺于一定疲劳周次后对焊接接头焊趾处进行再次冲击，可有效消除一定限度下由前一次处理产生并缓慢扩展的微小裂纹，使冲击后的表面回归至前一次冲击后的状态。间隔适当的疲劳周次，即可有效延长经超声冲击强化的焊接接头的剩余疲劳寿命。本发明涉及的超声冲击设备经济、轻便、操作简单。本发明提供的方法可行性强，效果显著，实际应用过程中可选用设备停机检查时期，做再次超声冲击处理。经试验验证，采用本发明提供的方法，有效提高经机械强化焊接接头疲劳寿命约I. 5倍。
图I本发明实施例中疲劳试件加工形状图,其中尺寸为a=300mm ；b=75mm ；c=25mm ； d=52mm ;圆弧半径 e=150mm ；f = 50mm ；g=12mm ；h=12mm ;粗糖度 i=l. 6 ;粗糖度 j=l. 6
图2本发明实施例中第一组疲劳试验结果
图3本发明实施例中第二组疲劳试验结果
图4本发明实施例中第三组疲劳试验结果具体实施方式
下面结合具体实施例进一步对本发明的技术方案作详细说明
实施例所涉及的设备天津天东恒科技发展有限公司生产的HJ-III型超声冲击机、长春机械科学研究院有限公司制造的GPS300型高频疲劳试验机、Miller公司生产的 Dimension 372型焊机。涉及的材料有S690低合金高强钢、HOBART公司FabCO XTREME 120 型药芯焊丝。
12mm厚S690板材加工60° “X”型坡口，接头形式为承载十字接头，采用二氧化碳气体保护焊进行多层多道焊，焊接规范如表I所示。然后按照图I加工成疲劳试验试件，分三组进行疲劳试验，应力比R=O. 5，应力范围Λ o=200MPa。
第一组对焊接接头焊趾处进行超声冲击处理，处理参数为激励电流I. 0A,振幅 26. 4 μ m，再进行疲劳试验至断裂，可计算出95%存活概率75%置信度下的疲劳寿命(记作 Nt)
第二组对焊接接头焊趾处进行超声冲击处理，参数同第一组，再进行疲劳试验， 载荷循化O. 75NT次时停止加载，进行第二次超声冲击处理，再继续加载O. 75NT次进行第三次冲击，如此反复至断裂，所述第二次及其以后的超生冲击处理采用与第一次超声冲击相同的参数，超声冲击处理需将焊趾附近IOmm区域完全覆盖，覆盖率达到300% (对每一个作用点超声冲击3次)，冲击针应垂直于焊趾中心，并做小幅度15°横向摆动，再次超声冲击处理时，需将上一道超声冲击痕迹完全覆盖
第三组实施过程与第二组相似，每次循环次数缩短为O. 5NT。
表I焊接规范
权利要求
1.一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，其特征在于，在初始经过超声冲击强化和经历一段疲劳载荷后，再对焊接接头焊趾处进行超声冲击处理，以消除由前一次处理产生并缓慢扩展的微小裂纹，使冲击后的表面回归至前一次冲击后的状态，然后再进行加载，如此往复即可实现有效延长经超声冲击强化的焊接接头的剩余疲劳寿命的目的。
2.根据权利要求I所述的一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，其特征在于，在焊接接头经历一段疲劳载荷后再次对其实施超声冲击处理，使冲击后表面恢复至前一次冲击后状态，然后再进行疲劳载荷，具体步骤如下(1)首先将超声冲击处理后的试样进行周次循环载荷至断裂，并根据测试结果计算95% 存活概率75%置信度下的疲劳寿命，记作Nt(2)然后将初始超声冲击处理后的试样进行一定时间的周次循环载荷后停止加载，重新进行超声冲击处理后，再进行周次循环载荷(3 )在试样经过相同的循环周次疲劳载荷后，再次停止加载，对焊接接头处进行超声冲击处理后，再进行周次循环载荷，如此反复，直至断裂。
3.根据权利要求2所述的一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，其特征在于，所述初始超声冲击处理集中在焊接焊头位置，尤其是焊趾处，超生冲击处理参数为激励电流I. 0A，振幅26.4μπι，冲击针应垂直于焊趾中心，并做小幅度10-20°横向摆动；在加载过程中，进行超声冲击时，需要集中在焊接焊头位置，尤其是焊趾处，将焊趾附近10_ 区域完全覆盖，覆盖率达到300%，超生冲击处理参数为激励电流I. 0Α,振幅26. 4 μ m，冲击针应垂直于焊趾中心，并做小幅度(10-20° )横向摆动，需将上一道超声冲击痕迹完全覆至 JHL ο
4.根据权利要求2所述的一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，其特征在于，所述周次循环载荷的时间为步骤I中测得的95%存活概率75%置信度下的疲劳寿命(记作Nt)的50%或者75%。
5.如权利要求1-4之一所述的方法在提高S690低合金高强钢的焊接接头疲劳寿命中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种提高经表面机械强化的焊接接头疲劳寿命的方法，采用超声冲击工艺于一定疲劳周次后对焊接接头焊趾处进行再次冲击，可有效消除一定限度下由前一次处理产生并缓慢扩展的微小裂纹，使冲击后的表面回归至前一次冲击后的状态。间隔适当的疲劳周次，即可有效延长经超声冲击强化的焊接接头的剩余疲劳寿命。本发明涉及的超声冲击设备经济、轻便、操作简单。本发明提供的方法可行性强，效果显著。经试验验证，采用本发明提供的方法，可有效提高经机械强化焊接接头的疲劳寿命约1.5倍。
文档编号C21D10/00GK102936647SQ201210459908
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者王东坡, 夏立乾, 邓彩艳, 吴良晨, 王志江 申请人:天津大学