超声冲击方法提高焊接接头疲劳强度下传感器

超声冲击方法提高焊接接头疲劳强度(下)

超声冲击方法提高焊接接头疲劳强度(下) 2011年12月10日 来源： 基本在执行机构(冲击枪)自重的条件下，进行冲击处理。处理时，激励电流为0。5 A，并以0。5 m /min的处理速度，来回冲击处理4次。冲击处理过程中，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。

1.4疲劳性能测试设备及方法

测试疲劳性能试验是在红山100 kN高频疲劳试验机上进行的。试验机静载精度满量程为±0。20%，动载振幅波动度满量程为±20%。施加载荷情况:加载频率为101Hz，载荷类型为拉伸载荷，应力循环比R = 0。1。

2 　试验结果及分析

原始焊态与超声冲击处理态的单面焊双面成型对接接头试件的疲劳试验结果见表2。

按照国际焊接学会( IIW)钢结构循环加载疲劳设计规范规定的统计方法处理试验中对接接头的相应疲劳试验数据[ 3 ]，接头焊态和接头冲击态的S-N曲线如图2所示。从图2中可以看出，经超声冲击处理过的接头S-N曲线明显高于原始焊态接头。各种接头状态下的疲劳强度Δσ( 2×106)见表3。由表3可计算出，经超声冲击处理后疲劳强度比原始焊态提高了37。9%。

为了获得在相同应力水平下超声冲击处理前后试件的疲劳寿命的变化情况，将表2中的相应试验数据分别按方程Sm N =C拟合[ 2 ] (S-N曲线的参数见表4)，得出超声冲击处理X65钢焊接接头试件在寿命为1×107次时所对应应力范围下焊态试件的疲劳寿命以及焊态试件在寿命为1×105次所对应应力范围下的超声冲击处理试件的疲劳寿命，结果列于表5中。

表2　疲劳试验结果

图2　试件接头S-N 曲线

表3　疲劳强度Δσ2 ×106的试验结果

表4　疲劳试验数据的统计处理结果　　对比表5中原始焊态与超声冲击处理态试件在相同应力范围下的疲劳寿命，结果显示，经过超声冲击处理的X65钢对接焊接接头的疲劳寿命被延长了，粗略估计是原始焊态接头1。85～11倍。

表5　焊态和冲击态接头的疲劳寿命

对比表5中原始焊态与超声冲击处理态试件在相同应力范围下的疲劳寿命，结果显示，经过超声冲击处理的X65钢对接焊接接头的疲劳寿命被延长了，粗略估计是原始焊态接头1。85～11倍。

表5焊态和冲击态接头的疲劳寿命

研究表明，焊接结构制成后，影响焊缝疲劳强度的主要因素是焊缝的应力集中，而焊缝的应力集中程度又与其形状参数(几何因素)密切相关。制造普通焊接结构时，一般采用熔化焊接的方法，多数情况下需要一定的填充金属，故在接头部位留有余高、凹坑及各种焊接缺陷，造成严重的应力集中。同时，还产生一定数值的焊接残余拉应力。大多数情况下，残余拉应力对焊接结构疲劳强度的影响是不利的。大量研究表明，在焊趾部位距离表面0。5 mm左右处一般存在熔渣等缺陷，该缺陷较尖锐，相当于疲劳裂纹提前萌生[ 4 ]。接头在应力集中、焊趾熔渣缺陷及焊接残余拉应力的联合作用下，导致疲劳强度严重降低。

焊后采取超声冲击方法，修善接头的几何外形，降低余高造成的应力集中并消除焊趾表面的缺陷，调节焊接残余应力场，消除其消极影响，使之朝有利于疲劳强度提高的方向转变，显然是大幅度地改善焊接接头及结构的疲劳强度的主要原因[ 5～7 ]。

值得注意，焊接缺陷的存在不可避免地降低焊接接头的疲劳强度。结构内部通过焊接质量的严格控制可以有效遏制这些缺陷的产生，但表面缺陷也是一个不可忽视的降低疲劳强度的因素。在冲击处理过程中，个别试件焊趾部位暴露出小段浅裂纹(未熔合)，经冲击处理后，裂纹消失。虽然截面积相对有所减少，但并没有影响该试件的疲劳寿命数值。这说明对位于表面或埋藏不深的小尺寸缺陷，能够通过超声冲击处理的方法予以消除。这种作用对提高焊接接头疲劳寿命与强度具有一定的贡献。

使用超声冲击的方法提高焊接接头的疲劳寿命，其效果显著。该方法可以很大程度地提高接头的疲劳强度，使焊接接头接近母材的疲劳强度，甚至高于母材。所以，设计合理、接头焊接质量良好且经超声冲击适当处理过的承受低应力动载的焊接结构，焊接接头将不再是薄弱环节。

3 　结论

以X65钢焊接接头为研究对象，试件原始焊态的疲劳强度Δσ(2×106 )为219MPa，超声冲击处理后焊接接头的疲劳强度Δσ(2×106 )为302MPa。经过超声冲击处理的X65管线钢对接焊接接头，其疲劳强度相对原始焊态接头提高37。9%，在相同应力范围下的疲劳寿命是原始焊态接头1。85～11倍。超声冲击处理能使X65钢管对接焊接接头的疲劳性能显著改善，试验证明，超声冲击是一种效果显著且便于操作的焊后改善焊接接头疲劳性能的措施。

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