CN105689856B - 一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法 - Google Patents

一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法 Download PDF

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Abstract

一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法，包括步骤一：于金属材料的对接部位处焊接，焊接后形成焊接接头，所述焊接接头包括焊缝和位于所述焊缝两侧的热影响区；步骤二：对焊接接头进行打磨去除焊接余高；步骤三：利用激光束在所述焊缝或/和所述热影响区制备仿生耦合单元。本发明基于耦合仿生原理，利用激光束在金属材料焊接接头进行仿生设计，形成仿生耦合单元，激光束处理区域组织细化且力学性能提高，可有效抑制在交变载荷下疲劳裂纹的萌生，另外激光束处理区域作为硬质相可有效阻滞疲劳裂纹的扩展，从而有效地提高金属材料焊接结构的服役寿命。

Description

一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法
技术领域
本发明涉及改善金属材料焊接接头性能，特别是涉及一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法。
背景技术
疲劳失效是金属焊接结构失效的一种主要形式，它发生在承受交变载荷的构件中，当焊接结构产生破坏时，其所受到的最大应力通常要低于材料的抗拉强度，有时甚至低于材料的屈服强度，据资料统计，由疲劳裂纹引起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的70～80％以上，其中约有50～90％属于疲劳失效。由于焊接结构疲劳断裂时往往是无明显塑性变形，会导致灾难性的事故，这在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，使一些场合不得不放弃使用焊接结构，甚至怀疑焊接结构能否适用于承受动载的工程实际。因此提高焊接接头疲劳性能具有极大的潜在经济效益和社会效益，长期以来，它是国内外有关专家研究的热点问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种改善金属材料焊接接头疲劳性能、提高其服役寿命的采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法，包括：
步骤一：于金属材料的对接部位处焊接，焊接后形成焊接接头，所述焊接接头包括焊缝和位于所述焊缝两侧的热影响区；
步骤二：对焊接接头进行打磨去除焊接余高；
步骤三：利用激光束在所述焊缝或/和所述热影响区制备仿生耦合单元。
进一步，所述仿生耦合单元在所述焊缝或/和所述热影响区沿焊接方向和垂直于焊接方向的对接方向成排成列规则分布。
进一步，所述仿生耦合单元分别为点状或条纹状或网格状或上述三种中任意两者的组合。
进一步，分布于所述焊缝的点状仿生耦合单元直径为0.5～5mm，深度为0.3～2mm，相邻两个所述点状仿生耦合单元沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～5mm。
进一步，分布于所述热影响区的点状仿生耦合单元直径为0.1～2mm，深度为0.1～2mm，相邻两个所述点状仿生耦合单元沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～2mm。
进一步，分布于所述焊缝的条纹状或网格状仿生耦合单元在焊缝表面与焊接方向之间的夹角为0～90°，条纹或网格宽度为0.5～5mm，深度为0.3～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～5mm。
进一步，分布于所述热影响区的条纹状或网格状仿生耦合单元在热影响区表面与焊接方向之间的夹角为0～90°，条纹或网格宽度为0.1～2mm，深度为0.1～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～2mm。
进一步，所述金属材料的焊接方法为钨极惰性气体保护焊。
本发明的有益效果：
本发明基于耦合仿生原理，利用激光束在金属材料焊接接头进行仿生设计，形成仿生耦合单元，激光束处理区域组织细化且力学性能提高，可有效抑制在交变载荷下疲劳裂纹的萌生，另外激光束处理区域作为硬质相可有效阻滞疲劳裂纹的扩展，从而有效地提高金属材料焊接结构的服役寿命。
附图说明
图1为本发明金属材料焊板的结构示意图；
图2为本发明焊缝设置点状仿生耦合单元的结构示意图；
图3为本发明热影响区设置点状仿生耦合单元的结构示意图；
图4为本发明焊缝和热影响区均设置点状仿生耦合单元的结构示意图；
图5为本发明焊缝设置条纹状仿生耦合单元的结构示意图；
图6问本发明焊缝设置网格状仿生耦合单元的结构示意图；
图7为本发明热影响区设置条纹状仿生耦合单元的结构示意图；
图8为本发明热影响区设置网格状仿生耦合单元的结构示意图；
图9为本发明焊缝和热影响区均设置条纹状仿生耦合单元的结构示意图；
图10为本发明焊缝和热影响区均设置网格状仿生耦合单元的结构示意图；
图11为本发明焊缝设置条纹状仿生耦合单元，热影响区设置点状仿生耦合单元的结构示意图；
图12为本发明焊缝设置点状仿生耦合单元，热影响区设置条纹状仿生耦合单元的结构示意图；
图13为本发明焊缝设置网格状仿生耦合单元，热影响区设置点状仿生耦合单元的结构示意图；
图14为本发明焊缝设置点状仿生耦合单元，热影响区设置网格状仿生耦合单元的结构示意图；
图15本发明疲劳试验件的结构示意图；
图中，1—金属母材、2—热影响区、3—焊缝、4—点状仿生耦合单元、5—条纹状仿生耦合单元、6—网格状仿生耦合单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法，包括：
步骤一：于金属母材1的对接部位处焊接，焊接后形成焊接接头，焊接接头包括焊缝3和位于焊缝3两侧的热影响区2；
步骤二：对焊接接头进行打磨去除焊接余高；
步骤三：利用激光束在所述焊缝3或/和所述热影响区2制备仿生耦合单元。
参照图1，在本实施例中，金属母材1对接处采用“V”型坡口，接头形式为对接接头，焊后对焊接接头进行机械打磨去除焊接余高，然后，利用激光束在焊接接头表面制备不同形貌的仿生耦合单元。优选的，仿生耦合单元在焊缝3或/和热影响区2沿焊接方向和垂直于焊接方向的对接方向成排成列规则分布，焊接方向为焊接时焊机的运动方向，对接方向为两个金属母材1相对接的方向，对接方向与焊接方向在同一水平面内相互垂直。然后在焊缝3或/和热影响区2利用激光束制备成排成列规则分布的仿生耦合单元，可以使处理区域组织细化且力学性能提高，有效抑制在交变载荷下疲劳裂纹的萌生，另外激光束处理区域作为硬质相可有效阻滞疲劳裂纹的扩展，从而有效地提高金属材料焊接结构的服役寿命。
仿生耦合单元分别为点状或条纹状或网格状或上述三种中任意两者的组合，其中仿生耦合单元可单独分布在焊缝3或热影响区2，也可以共同分布于焊缝3或热影响区2，焊缝3或热影响区2可分布相同形貌的仿生耦合单元，可以分布不同形貌的仿生耦合单元，举例如下：
参照图2，点状仿生耦合单元4仅设置于焊缝3，在焊缝3成排成列规则分布，点状仿生耦合单元直径d1为0.5～5mm，深度h1为0.3～2mm，相邻两个点状仿生耦合单元4沿焊接方向的间距s1为0.2～20mm，沿对接方向的间距s1’为0.2～5mm。
参照图3，点状仿生耦合单元4仅设置于热影响区2，在热影响区2成排成列规则分布，点状仿生耦合单元4直径d2为0.1～2mm，深度h2为0.1～2mm，相邻两个点状仿生耦合单元4沿焊接方向的间距s2为0.2～20mm，沿对接方向的间距s2’为0.2～2mm。
参照图4，点状仿生耦合单元4同时设置于热影响区2和焊缝3，在焊缝3的点状仿生耦合单元4直径d1为0.5～5mm，深度h1为0.3～2mm，相邻两个点状仿生耦合单元4沿焊接方向的间距s1为0.2～20mm，沿对接方向的间距s1’为0.2～5mm。在热影响区2的点状仿生耦合单元4直径d2为0.1～2mm，深度h2为0.1～2mm，相邻两个点状仿生耦合单元4沿焊接方向的间距s2为0.2～20mm，沿对接方向的间距s2’为0.2～2mm。
参照图5，仿生耦合单元为条纹状，条纹状仿生耦合单元5单独分布于焊缝3，条纹状仿生耦合单元5在焊缝3表面与焊接方向的夹角α为0～90°，条纹状仿生耦合单元5的宽度w1为0.5～5mm，深度h1为0.3～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s1为0.2～20mm。
参照图6，仿生耦合单元为网格状，网格状仿生耦合单元6单独分布于焊缝3，网格状仿生耦合单元6在焊缝3表面与焊接方向的夹角α为0～90°，网格状仿生耦合单元6的宽度w1为0.5～5mm，深度h1为0.3～2mm，网格的相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s1为0.2～20mm，沿对接方向的间距s1’为0.2～5mm。
参照图7，条纹状仿生耦合单元5单独分布于热影响区2，条纹状仿生耦合单元5在热影响区2表面与焊接方向的夹角α为0～90°，条纹状仿生耦合单元5的宽度w2为0.1～2mm，深度h2为0.1～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s2为0.2～20mm。
参照图8，网格状仿生耦合单元6单独分布于热影响区2，网格状仿生耦合单元6在热影响区2表面与焊接方向的夹角α为0～90°，网格状仿生耦合单元6的宽度w2为0.1～2mm，深度h2为0.1～2mm，网格的相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s2为0.2～20mm，沿对接方向的间距s2’为0.2～2mm。
参照图9，条纹状仿生耦合单元5共同分布在焊缝3和热影响区2，条纹状仿生耦合单元5在焊缝3表面与焊接方向的夹角α为0～90°，条纹状仿生耦合单元5的宽度w1为0.5～5mm，深度h1为0.3～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s1为0.2～20mm。条纹状仿生耦合单元5在热影响区2表面与焊接方向的夹角α为0～90°，条纹状仿生耦合单元5的宽度w2为0.1～2mm，深度h2为0.1～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s2为0.2～20mm。
参照图10，网格状仿生耦合单元6共同分布在焊缝3和热影响区2，网格状仿生耦合单元6在焊缝3表面与焊接方向的夹角α为0～90°，网格状仿生耦合单元6的宽度w1为0.5～5mm，深度h1为0.3～2mm，网格的相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s1为0.2～20mm，沿对接方向的间距s1’为0.2～5mm。网格状仿生耦合单元6在热影响区2表面与焊接方向的夹角α为0～90°，网格状仿生耦合单元6的宽度w2为0.1～2mm，深度h2为0.1～2mm，网格的相邻两条纹之间沿焊接方向分布间距s2为0.2～20mm，沿对接方向的间距s2’为0.2～2mm。
参照图11至图14，分别列举了几种分布于焊缝3与热影响区2的仿生耦合单元形貌不同的例子，图11中焊缝3设置条纹状仿生耦合单元5，热影响区2设置点状仿生耦合单元4，其设置参数参考前面数据范围。图12中焊缝3设置点状仿生耦合单元4，热影响区2内设置条纹状仿生耦合单元5，其设置参数参考前面数据范围。图13中焊缝3设置网格状仿生耦合单元6，热影响区2设置点状仿生耦合单元4，其设置参数参考前面数据范围。图14中焊缝3设置点状仿生耦合单元4，热影响区2设置网格状仿生耦合单元6，其设置参数参考前面数据范围。在其它实施例中，也可以是其它的分布组合。
参照图15，以图15所示的形态加工疲劳试验件，其中尺寸为A＝240mm；B＝70mm；C＝6mm；D＝110mm；圆弧半径E＝30mm；F＝110mm；G＝40mm。
疲劳试验件为6mm厚AZ31B板材加工45°“V”型坡口，接头形式为对接接头，采用钨极惰性气体保护焊进行焊接，在其它实施例中，焊接接头也可以采用其它焊接方式，形成焊缝3和热影响区2。经测试，在循环基数为2×106次数下，未经仿生耦合强化的镁合金焊接接头疲劳强度为41.5Mpa。
然后利用激光光束在焊缝3或/和热影响区2区域制备仿生耦合单元，并测量制备仿生耦合单元后的对接接头的疲劳强度，与未经仿生耦合强化的试验件相比，得到仿生耦合强化疲劳强度的提高量。
实施例1
参照图2，利用激光束在焊缝3表面制备点状仿生耦合单元4，其中点状仿生耦合单元4直径d1为1mm，沿焊接方向分布间距s1为3mm，沿对接方向间距s1’为3mm，深度h1为0.5mm。然后将仿生耦合强化后的镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高8.0％。
实施例2
参照图3，利用激光束在热影响区2表面制备点状仿生耦合单元4，其中点状仿生耦合单元4直径d2为0.6mm，沿焊接方向分布间距s2为3mm，沿对接方向间距s2’为1mm，深度h2为0.5mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高4.2％。
实施例3
参照图4，利用激光束在焊缝3和热影响区2表面制备点状仿生耦合单元4，其中焊缝3内点状仿生耦合单元4直径d1为1mm，沿焊接方向分布间距s1为3mm，沿对接方向间距s1’为3mm，深度h1为0.5mm。热影响区2内点状仿生耦合单元4直径d2为0.6mm，沿焊接方向分布间距s2为3mm，沿对接方向间距s2’为1mm，深度h2为0.5mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件。在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高9.7％。
实施例4
参照图5，利用激光束在焊缝3表面制备条纹状仿生耦合单元5，其中条纹状仿生耦合单元5与焊接方向夹角α为30°，条纹的宽度w1为0.8mm，沿焊接方向分布间距s1为3mm，深度h1为0.6mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高31.8％。
实施例5
参照图6，利用激光束在焊缝3表面制备网格状仿生耦合单元6，其中网格状仿生耦合单元6与焊接方向夹角α为90°，网格中每条条纹的宽度w1为0.8mm，相邻两条纹沿焊接方向分布间距s1为3mm，沿对接方向分布间距s1’为3mm，深度h1为0.6mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高46.8％。
实施例6
参照图7，利用激光束在热影响区2表面制备条纹状仿生耦合单元5，其中条纹状仿生耦合单元5与焊接方向夹角α为90°，条纹的宽度w2为0.5mm，沿焊接方向分布间距s2为2mm，深度h2为0.5mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高11.8％。
实施例7
参照图8，利用激光束在热影响区2表面制备网格状仿生耦合单元6，其中网格状仿生耦合单元6与焊接方向夹角α为90°，网格中每条条纹的宽度w2为0.5mm，相邻两条纹沿焊接方向分布间距s2为3mm，沿对接方向分布间距s2’为1mm，深度h2为0.5mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高18.8％。
实施例8
参照图9，利用激光束在焊缝3和热影响区2表面制备条纹状仿生耦合单元5，其中条纹状仿生耦合单元5与焊接方向夹角α为90°，条纹状仿生耦合单元3在焊缝4表面的条纹宽度w1为1mm，沿焊接方向分布间距s1为3mm，深度h1为0.6mm，条纹状仿生耦合单元3在热影响区2表面的条纹宽度w2为1mm，沿焊接方向分布间距s2为3mm，深度h2为0.6mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高55.6％。
实施例9
参照图10，利用激光束在焊缝3和热影响区2表面制备网格状仿生耦合单元6，其中网格状仿生耦合单元6与焊接方向的夹角α为90°，网格状仿生耦合单元6在焊缝3表面的条纹宽度w1为1mm，沿焊接方向分布间距s1为3mm，沿对接方向的分布间距s1’为1mm，深度h1为0.6mm，网格状仿生耦合单元6在热影响区2表面的条纹宽度w2为1mm，沿焊接方向分布间距s2为3mm，沿对接方向的分布间距s2’为1mm，深度h2为0.6mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高69.5％。
实施例10
参照图12，利用激光束在焊缝3表面制备点状仿生耦合单元4，在热影响区2表面制备条纹状仿生耦合单元5，其中点状仿生耦合单元4直径d1为1mm，沿焊接方向分布间距s1为3mm，沿对接方向间距s1’为3mm，深度h1为0.5mm；条纹状仿生耦合单元5与焊接方向之间的夹角α为90°，条纹的宽度w2为0.8mm，沿焊接方向分布间距s2为3mm，深度h2为0.6mm。然后将仿生耦合强化后镁合金焊接接头参照图15尺寸加工成疲劳试验件，在循环基数为2×106次数下，与未经仿生耦合强化的试验件相比，仿生耦合强化疲劳强度提高35.3％。
以上实施例举例说明，其它实施方式不再一一赘述。
经过上述测试可知，本发明通过激光束在焊缝3或/和热影响区2表面制备仿生耦合单元，激光束处理区域作为硬质相，焊接接头未处理区域作为软质相，硬质相与软质相具有不同的性能，利用激光束在金属材料焊接接头处进行仿生设计，激光束处理区域组织细化且力学性能提高，可有效抑制在交变载荷下疲劳裂纹的萌生，且激光束处理区域作为硬质相可有效阻滞疲劳裂纹的扩展，与其他方法相比，不仅可以抑制裂纹的萌生，同时可以阻止裂纹的扩展，从而有效地提高镁合金焊接结构的服役寿命。另外，改变激光束加工路径可在焊接接头上形成不同的形貌，从而改善金属材料焊接接头在交变载荷条件下疲劳性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法，其特征在于，包括：
步骤一：于金属材料的对接部位处焊接，焊接后形成焊接接头，所述焊接接头包括焊缝和位于所述焊缝两侧的热影响区；
步骤二：对焊接接头进行打磨去除焊接余高；
步骤三：利用激光束在所述焊缝或/和所述热影响区制备仿生耦合单元，所述仿生耦合单元在所述焊缝或/和所述热影响区沿焊接方向和垂直于焊接方向的对接方向成排成列规则分布，焊接方向为焊接时焊机的运动方向，对接方向为两个金属母材相对接的方向，对接方向与焊接方向在同一水平面内相互垂直，所述仿生耦合单元分别为点状或条纹状或网格状或上述三种中任意两者的组合，仿生耦合单元单独分布在焊缝或热影响区，或者共同分布于焊缝和热影响区，焊缝和热影响区分布相同形貌的仿生耦合单元，或者分布不同形貌的仿生耦合单元。
2.根据权利要求1所述的采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法,其特征在于：分布于所述焊缝的点状仿生耦合单元直径为0.5～5mm，深度为0.3～2mm，相邻两个所述点状仿生耦合单元沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～5mm。
3.根据权利要求1所述的采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法,其特征在于：分布于所述热影响区的点状仿生耦合单元直径为0.1～2mm，深度为0.1～2mm，相邻两个所述点状仿生耦合单元沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～2mm。
4.根据权利要求1所述的采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法,其特征在于：分布于所述焊缝的条纹状或网格状仿生耦合单元在焊缝表面与焊接方向之间的夹角为0～90°，条纹或网格宽度为0.5～5mm，深度为0.3～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～5mm。
5.根据权利要求1所述的采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法,其特征在于：分布于所述热影响区的条纹状或网格状仿生耦合单元在热影响区表面与焊接方向之间的夹角为0～90°，条纹或网格宽度为0.1～2mm，深度为0.1～2mm，相邻两条纹之间沿焊接方向的间距为0.2～20mm，沿对接方向的间距为0.2～2mm。
6.根据权利要求1所述的采用仿生耦合强化金属材料焊接接头的方法,其特征在于：所述金属材料的焊接方法为钨极惰性气体保护焊。
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