CN111069703B - 一种焊接接头疲劳延寿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊接接头疲劳延寿方法，属于提高金属焊缝疲劳性能的表面强化加工技术领域。该方法采用表面旋压强化技术，对焊接接头实施表面强化加工，获得具有硬度梯度的金属表层组织结构，实现金属焊接接头表面强化和硬化，同时加工表面光滑，降低了焊接构件表面应力集中水平和焊后残余应力水平。金属焊接构件在循环载荷作用下服役时，旋压加工后能抑制疲劳裂纹从焊接接头表面萌生，从而提高金属焊接接头疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及提高金属焊缝疲劳性能的表面强化加工技术领域，具体涉及一种焊接接头疲劳延寿方法。
背景技术
随着高速列车轻量化的不断发展，提高列车关键部件的安全可靠性已经成为不可或缺的关键科学问题。对于大量的高速列车关键零部件，焊接是一种重要的成形技术，因此，提高这些焊接构件的可靠性成为了保障列车安全可靠的重要环节。据统计，高速列车有38种焊缝之多，最薄的2mm，最厚的17mm。由于焊接成型过程中局部输入较大的能量，导致焊缝区微观组织结构发生变化，由于组织结构和力学性能的非均匀性，使焊缝成为整个构件的薄弱部位，导致构件在承受交变载荷作用时的疲劳性能下降，实际使用寿命明显降低。
通常，金属构件疲劳断裂失效过程主要分为两个阶段：裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段。焊接接头会存在表面缺陷、焊接余高和心部气孔等易萌生疲劳裂纹的应力集中部位，从而降低了金属构件的疲劳萌生寿命，总疲劳寿命明显降低。
钢和高强铝合金是高速列车主要的焊接对象，如高铁铝合金车身、牵引梁和转向架用钢等。葡萄牙科英布拉大学L.P.Borrego等人研究了MIG焊5083铝合金疲劳性能，研究结果表明焊缝区显微硬度较基体平均值损失约18.8％，而疲劳强度较基体损失约为60％[L.P.Borrego,J.D.Costa,J.S.Jesus,A.R.Loureiro,J.M.Ferreira,Fatigue lifeimprovement by friction stir processing of 5083 aluminium alloy MIG buttwelds,Theor.Appl.Fract.Mech.70(2014)68-74.]；北京科技大学Z.Yin等人研究了7075-T6激光-MIG复合焊焊接接头的疲劳寿命，研究结果表明，焊接后其疲劳强度较母材疲劳强度下降约50％[Z.Yin,S.Xiping,C.Liyan,W.Shengchuan,Fatigue Lifetime of Laser-MIG Hybrid Welded Joint of 7075-T6 Aluminum Alloy by in-situ Observation,RareMetal Mater.Eng.46(9)(2017)2411-2416.]；四川大学C.He等人研究了一种桥梁钢焊接接头的超高周疲劳性能，结果显示热影响区和焊缝区的疲劳强度较母材损失50-60％[C.He,Y.Liu,D.Fang,Q.Wang,Very high cycle fatigue behavior of bridge steel weldedjoint,Theoretical and Applied Mechanics Letters 2(3)(2012)]。综上所述，焊接后焊接接头组织的变化导致显微硬度较母材下降20-40％，而其疲劳强度较母材通常下降40-60％，说明焊接成型导致焊缝疲劳性能损失是一个共性的科学问题，而不是某一种特殊焊接工艺或特殊焊接方法所特有的问题，如何提升焊缝构件疲劳寿命是摆在科技人员面前的关键技术难题。疲劳断裂失效是金属焊接构件的主要失效形式之一。影响金属焊接构件疲劳性能的因素较多，如焊接缺陷、焊缝形状引起的应力集中、焊后残余应力、母材与焊料间强度匹配、焊接接头组织结构变化等[C.Z.Zhou,X.Q.Yang,G.H.Luan,Effect of rootflaws on the fatigue property of friction stir welds in 2024-T3 aluminumalloys,Mater.Sci.Eng.,A 418(1-2)(2006)155-160；T.Sun,A.P.Reynolds,M.J.Roy,P.J.Withers,P.B.Prangnell,The effect of shoulder coupling on the residualstress and hardness distribution in AA7050 friction stir butt welds,Mater.Sci.Eng.,A 735(2018)218-227；J.Altenkirch,A.Steuwer,M.Peel,D.G.Richards,P.J.Withers,The effect of tensioning and sectioning on residual stresses inaluminium AA7749 friction stir welds,Mater.Sci.Eng.,A 488(1-2)(2008)16-24；A.Macwan,A.Kumar,D.L.Chen,Ultrasonic spot welded 6111-T4 aluminum alloy togalvanized high-strength low-alloy steel:Microstructure and mechanicalproperties,Mater.Des.113(2017)284-296.]。
文献调研和实验研究表明，导致焊缝疲劳寿命损失的主要原因来自两个方面，焊接缺陷和焊缝热输入导致的组织结构演变以及力学性能衰退。为了提高焊接结构的疲劳性能，前人做了大量尝试，提出了一些有效的焊缝延寿处理技术，如焊趾修熔打磨、焊后热处理、锤击、喷丸、表面涂层、表面强化等。通常，金属构件在经过焊接处理后，焊件不均匀的温度分布和焊缝金属的热胀冷缩等原因造成焊接残余应力，这就需要将焊件加热至一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动而内应力降低，就是所谓的焊后热处理。但焊后热处理会对金属抗拉强度、蠕变极限等产生影响，特别是一些导热性好的金属力学性能会显著降低，导致疲劳寿命下降。因此，就需要采用其他焊后处理技术来补偿焊接处理和焊后热处理所造成的强度和疲劳强度损失。
疲劳之父
指出，对于大多数金属材料疲劳强度与抗拉强度近似呈现线性关系[J.C.Pang,S.X.Li,Z.G.Wang,Z.F.Zhang,General relation between tensilestrength and fatigue strength of metallic materials,Mater.Sci.Eng.,A 564(2013)331-341.]，这说明提升焊缝的强度，减少焊缝强度损失可以有效提升焊缝的疲劳强度。基于金属焊缝微观组织和力学性能分布特点，表面强化是提升焊缝表层金属力学性能和改善焊接构件疲劳性能的有效方法。目前的表面强化方法有很多，包括滚压、轧制、喷丸等。滚压强化的局限性在于只能加工棒状构件，且加工精度不够，效率低成本高。金属经过轧制处理后可以实现加工硬化，使得构件的强度硬度升高，塑性韧性下降，但由于轧制处理只能对构件整体加工，破坏了焊接构件母材的基本力学性能，所以也有其局限性。
喷丸是当下最成熟的表面强化技术。喷丸的优点：1)适用范围广泛且优点突出，不受构件几何形状限制；2)可以提高工件表面硬度，并向工件表层引入残余应力从而改善抗疲劳断裂的能力；3)同时实现表面去除氧化皮、表面成形和表面强化等多种功能，操作简单，对复杂构件的内壁也能够实现表面处理。然而，喷丸是以向金属构件表面引入残余压应力为主的表面强化方法，残余压应力的存在，降低了应力水平，最终提高了构件的疲劳寿命，但残余应力在多种复杂条件下容易释放，能量转化率低，导致疲劳延寿的效果明显低于以晶粒细化为主要强化机制的强化方法。喷丸的缺点：1)由于大量丸粒不规则的轰击金属表面导致加工表面的粗糙度变大，甚至产生微裂纹，使得构件表面局部应力集中而疲劳寿命降低。2)对一些如角焊等形状不规则的金属焊缝构件，喷丸是一种非常有效的表面强化方法，但对于一些形状规则的对接金属焊接构件，喷丸强化能力略显不足。3)喷丸构件的表面粗糙度很难控制。
未来表面强化技术将向着表面强化加工技术方向发展，且希望研发的表面强化加工技术在提升金属表层强度的同时可以兼顾表面粗糙度，从而达到更好的疲劳延寿效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊接接头疲劳延寿方法，该方法是对焊接接头实施表面强化加工，通过工艺优化，改善板类焊接构件表层不均匀的显微组织，提升焊接接头的表面强度、硬度和疲劳性能。具体包括：提高金属焊接构件的表面强度和硬度，特别是板类金属焊接构件的表面强化；提高金属焊接构件表面的光洁度，减小焊接余高等表面缺陷处的应力集中水平；通过金属焊接接头表面强化抑制焊接接头的疲劳裂纹萌生，提升焊接接头的疲劳性能，延长金属焊接构件在循环载荷下的服役寿命。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种焊接接头疲劳延寿方法，该方法是采用表面旋压装置对焊接接头进行表面旋压强化加工，在机械清理焊接接头余高的同时，通过控制表面强化过程中的热输入量消除焊接残余应力，从而提升焊接接头的疲劳寿命。
所述表面旋压装置包括加工刀具，所述加工刀具包括圆柱状刀具基体及基体表面上的双螺旋线形刀刃；所述加工刀具的材质为高速工具钢。
所述双螺旋线形刀刃的节距值为150-500mm，牙厚为0.2-2.0mm，牙宽1.0-3.0mm，螺旋凹槽深度为0.2-2.0mm的刀具。
所述加工刀具的圆柱状刀具基体沿轴线方向加工有安装通孔，或者刀具基体的两端设有柱状凸起，所述安装通孔及柱状凸起均用于将所述加工刀具安装固定于机床上。所述加工刀具的双螺旋线形刀刃的横截面为梯形或矩形。
所述表面旋压装置还包括加工刀具和工作台；其中：所述焊接接头固定于所述工作台上，并能随工作台在二维平面内移动，所述加工刀具置于所述焊接接头上方，加工刀具能够绕其轴线旋转以及沿竖直方向移动；工作台及刀具的动作均由数控机床控制。
本发明所述的焊接接头疲劳延寿方法，具体包括如下步骤：
(1)板状母材采用对接方式焊接，得到带有焊接接头的工件；
(2)将工件固定在工作台上，将加工刀具固定于工件焊接接头的一侧上方；工件的被加工表面与加工刀具的轴线平行。
(3)进行表面旋压强化加工，控制工作台移动，使刀具从焊接接头一侧移动到另一侧；加工过程中：加工刀具转速为100-600r/min，工作台沿刀具轴向方向的移动速度为10-30mm/min，垂直于刀具轴线方向进刀，进刀位移范围(下压量)为0-5000μm。
对于焊后最大残余拉应力200-500MPa的焊接接头，优选采用≤15mm/min的加工速度；对于焊后最大残余拉应力≤200MPa的焊接接头，优选采用≤20mm/min的加工速度。
所述焊接接头为钢、铜合金、铝合金或钛合金焊接接头。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明为焊接接头的疲劳延寿方法，其主要原理为：利用旋压刀具双螺旋线刀刃的高效和连续原理，通过加工刀具与被加工金属表面的分散接触和加载，向被加工金属表面引入压应力和剪切应力，实现表层金属晶粒细化，同时引入适量残余压应力，提高金属焊接构件表面强度和硬度，改善金属焊接构件的疲劳性能和耐磨性。
2、本发明方法能够机械清理焊接接头余高，强迫少量余高金属发生塑性形变，产生表面强化效果：中低强度金属的疲劳裂纹通常从表面萌生。对于带焊接接头的金属构件，焊缝区的熔合线附近通常是疲劳性能的薄弱位置，疲劳裂纹也通常从该部位的表面萌生。提高焊缝表面强度可以抑制疲劳裂纹的萌生，从而提升焊接接头的疲劳寿命。传统表面强化并不能除去焊接余高，焊接余高对疲劳性能无益，甚至有利于疲劳裂纹的萌生。本发明第一步是利用焊接接头的大部分焊接余高金属，使少量余高金属发表塑性形变甚至晶粒细化，从而产生强化效果。
3、本发明方法通过强化加工获得低表面粗糙度焊接接头：表面缺陷也是影响焊接接头疲劳寿命的重要因素，尤其是焊接形成的表面金属缺陷。本发明通过设计加工刀具双螺旋刀刃的参数(节距、牙厚等、槽深)，以保证表面强化所需压应力和剪切应力的输入，同时能达到较好的表面光洁度，使表面强化加工后焊接接头表面获得较低的粗糙度，消除部分表面焊接缺陷，从而减少应力集中，降低焊接接头薄弱部位的应力水平，从而提升焊接接头的疲劳寿命。
4、本发明方法通过控制表面强化加工热输入量消除焊接残余应力：焊接是一个向金属焊缝输入热量通过冶金使两部分金属连接的方法。由于金属凝固过程中会产生拉应力，所以焊缝中的残余拉应力对焊接接头的疲劳寿命通常有较为严重的负面影响。本发明采用控制表面强化加工的速度，间接控制表面局部热输入，消除焊接残余拉应力，同时少量引入残余压应力，这也有利于降低焊接接头应力水平，从而提高焊接接头疲劳寿命。
通常，焊接处理会向焊接接头引入残余拉应力，表面旋压处理会向样品表层引入大量的残余压应力。同时，旋压加工过程中，冷却装置会带走部分金属高塑性变形产生的大量热能，剩余的热量会明显降低金属焊接接头的残余应力水平，使得焊接接头的应力分布更加均匀，从而提升焊接接头疲劳寿命。所以，控制表面强化加工的速度，间接控制表面局部热输入，可以消除焊接残余拉应力。本发明通过大量的实验测得，对于焊后最大残余拉应力200-500MPa的焊接接头，可采用≤15mm/min的加工速度；对于焊后最大残余拉应力≤200MPa的焊接接头，可采用≤20mm/min的加工速度(导热性能好的金属材料可适当选较高的加工速度)。
5、本发明的表面旋压强化技术使焊接接头表面粗糙度明显降低，表面焊接缺陷基本消除，表面局部应力集中水平下降；同时加工过程中的短时高能量和外加压应力降低了焊接接头内部的焊后残余拉应力。从而大幅度提升金属焊接接头表面硬度和强度。表面强化层的厚度与焊接接头的材料、屈强比和压下量有关，一般中低强钢的强化层厚度约200μm-1.5mm；表面旋压强化技术可以降低焊接接头的残余应力水平，焊后残余拉应力一般下降50％以上；表面旋压强化技术可以消除表面焊接余高和缺陷，使得焊接接头的表面粗糙度Ra<2μm，甚至达到抛光镜面的程度。
附图说明
图1为本发明表面旋压强化加工金属焊接接头示意图；其中：(a)表面旋压强化加工金属焊接接头示意图；(b)表面旋压强化机制示意图。
图2为实施例1-2两种焊接接头样品表面旋压强化前后的表面显微硬度分布曲线和横截面显微硬度梯度曲线；其中：(a)45#钢表面；(b)7N01铝合金表面；(c)45#钢横截面；(d)7N01铝合金横截面
图3为实施例1-2两种焊接接头样品表面旋压强化后的焊缝区横截面梯度组织结构；工其中：(a)45#钢焊缝区；(b)7N01铝合金表层KAM图和TEM图。
图4为实施例2表面旋压强化金属焊接接头宏观效果图；其中：(a)旋压前焊接接头宏观形貌；(b)旋压后焊接接头宏观形貌；(c)旋压后焊接接头三维轮廓形貌。
图5为表面旋压强化前后垂直于焊接方向的横向残余应力分布曲线；其中：(a)45#钢；(b)7N01铝合金。
图6为实施例1-2两种样品焊接接头表面旋压前后的拉拉疲劳寿命分布；其中：(a)7N01铝合金；(b)45#钢。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
金属焊接接头疲劳性能通常比基体差，统计发现疲劳强度较基体下降约40-60％，焊接接头是疲劳可靠性较差的部位，如何提升焊接接头疲劳可靠性是一个关键技术问题。
抑制疲劳裂纹萌生有利于延长金属焊接构件的疲劳寿命。焊接构件的疲劳裂纹易于在焊接接头表面焊接余高、力学性能差的表层和内部的焊接气孔处萌生。通过优化焊接工艺控制焊接气孔后，表面强化可以消除焊缝表面缺陷，提高接头表层力学性能，从而抑制表面疲劳裂纹的萌生，同时也有利于提高金属构件表面的耐磨性和耐蚀性，降低外来损伤和氧化几率。
本发明提供一种焊接接头疲劳延寿方法，该方法是采用表面旋压装置对焊接接头进行表面旋压强化加工，在机械清理焊接接头余高的同时，通过控制表面强化过程中的热输入量消除焊接残余应力，从而提升焊接接头的疲劳寿命。表面旋压强化加工金属焊接接头示意图如图1所示。图1(a)中给出了表面旋压强化加工金属焊接接头的示意图，图1(b)给出了表面旋压强化机制示意图。
所述表面旋压装置包括加工刀具和工作台；其中：所述焊接接头固定于所述工作台上，并能随工作台在二维平面内移动，所述加工刀具置于所述焊接接头上方，加工刀具能够绕其轴线旋转以及沿竖直方向移动；工作台及刀具的动作均由数控机床控制。
所述加工刀具材质为经过表面淬火的高速工具钢，包括圆柱状刀具基体及基体表面上的双螺旋线形刀刃；利用双螺旋线连续性和高效性向焊接构件表层金属施加压应力和剪切应力，刀具的下压量向工件表面施加正应力以达到加工硬化的作用，双螺旋线型的刀具向工件表面施加剪切应力以达到细晶强化的作用，促进了焊接接头表层金属发生塑性形变，达到了细晶强化和形变强化的目的。所述双螺旋线形刀刃的节距值为150-500mm，牙厚为0.2-2.0mm，牙宽1.0-3.0mm，螺旋凹槽深度为0.2-2.0mm的刀具。
所述加工刀具的圆柱状刀具基体沿轴线方向加工有安装通孔，或者刀具基体的两端设有柱状凸起，所述安装通孔及柱状凸起均用于将所述加工刀具安装固定于机床上。所述加工刀具的双螺旋线形刀刃的横截面为梯形或矩形。
本发明所依据科学原理：细晶强化和加工硬化：
金属构件在经过焊接处理后，由于焊接成型过程中局部输入较大的能量，导致焊缝区微观组织结构发生变化，特别是焊缝区的晶粒尺寸很大，热影响区组织分布变化大且不均匀，使焊接接头成为整个构件的薄弱部位。Hall 1951和Petch 1953通过试验证实了在多晶金属中晶粒尺寸和屈服强度之间的关系并建立了经典的Hall-Petch关系式：
σ＝σ0+k·d-1/2 (公式1)
式中，σ，晶粒细化后金属强度，MPa；σ0，晶粒细化前金属强度，MPa；k，HP常数；d，晶粒半径,μm。根据Hall-Petch关系式(公式1)，通过晶粒细化可以显著提升金属材料的屈服强度，这一原理称为细晶强化原理。金属焊接接头在经过表面旋压强化后，表层金属晶粒将显著细化同时强度提高，因而细晶强化是其主要强化机制之一。
在室温条件下使金属冷加工变形会引入大量的位错，直接导致位错密度显著增加，因为位错会产生应变场，所以高密度位错可以阻碍位错运动：
σ0＝σj+αGbρ-1/2 (公式2)
式中，σ0，加工硬化后金属强度，MPa；σj，加工硬化前金属强度，MPa；G，剪切模量；ρ，位错密度。根据公式2，通过冷加工变形也可以提高金属材料强度和硬度，这一原理称为加工硬化或应变强化。
19世纪70年代，疲劳领域的先驱
发现，黑色金属的疲劳强度σw与抗拉强度σb之比遵循如下简单的比例关系：
σw＝(0.4-0.5)σb (公式3)
式中，σw，金属疲劳强度，MPa；σb，金属抗拉强度，MPa。上世纪大量的研究人员以钢、铜和铝合金等的疲劳强度和拉伸强度的大量数据，总结出一种更通用的形式，即：
σw＝mσb (公式4)
说明对于大部分的工程应用合金而言，在一定强度范围内，材料的疲劳强度与抗拉强度呈正比。焊接金属表面旋压强化充分利用了上述两种强化机制，提升板类金属焊接构件的表面强度和硬度，抑制疲劳裂纹萌生，提高构件疲劳寿命。
另外，在表面旋压过程中表层金属较大的塑性变形产生的高温尽管经过冷却系统的控制，但短时的高温有利于一些易淬火钢热影响区淬火组织的分解和铝合金第二相的析出，一定程度上使得焊接接头表面的组织结构和力学性能更加均匀，外加载荷下焊接构件各部分的变形更加均匀，提高了焊接接头的塑性和韧性。
实施例1：
本实施例为45#钢焊接接头表面旋压强化工艺，对于该实施例的45#钢(抗拉强度500MPa-1000MPa)，为保证表面强化所需压应力和剪切应力的输入，同时能达到较好的表面光洁度，选用双螺旋线加工刀刃的节距值为200mm，牙厚为1.5mm，牙宽2mm，螺旋凹槽深度为1.5mm的刀具。
本实施例的表面旋压加工过程如下：
步骤1：工件焊接。将两块45#钢母材板采用ER-70S-6低碳钢焊丝对接焊，焊接方法为非熔化极惰性气体保护焊(TIG)。
步骤2：旋压刀具和工件装卡。将旋压刀具装卡在旋压机轴承上，将工件装卡在工作台上，工件被加工表面与旋压刀具轴线平行。
步骤3：对刀。通过表面旋压机双作用伺服液压系统操作工作台和旋压刀具，令圆筒状刀具外表面最下面的母线与工作台上的工件待强化表面接触。
步骤4：参数设置。设置下压量为300μm，设置进刀速度为10mm/min，设置刀具转数为500r/min。
步骤5：旋压强化加工。启动旋压机开始进行表面旋压加工。
步骤6：硬化层微观组织和力学性能检测。加工完成后取下工件，切取样品进行金相检测和硬度梯度测试。经表面旋压强化加工后，45#钢焊接接头的主要强化技术参数列于表1。
经表面旋压强化加工后，45#钢焊接接头表面粗糙度能降低至Ra 1.0μm左右。
表1 45#钢焊接接头旋压强化技术参数统计表
| 项目 | 主要参数 |
| 材料 | 45#钢焊接接头 |
| 旋压强化前抗拉强度 | 780MPa |
| 旋压强化后抗拉强度 | 925MPa |
| 旋压强化前焊缝表面平均显微硬度 | 240HV |
| 旋压强化后焊缝表面平均显微硬度 | 320HV |
| 旋压强化后焊缝显微硬度梯度层深度 | 约300μm |
| 旋压强化后焊缝显微硬度提升百分比 | 33％ |
实施例2：
本实施例为7N01铝合金焊接接头表面旋压强化工艺，对于本实施例塑性较高的铝合金而言，为得到较低的表面粗糙度，选用双螺旋线加工刀刃的节距值为400mm，牙厚为0.3mm，牙宽1.5mm，螺旋凹槽深度为0.3mm的刀具。
本实施例的表面旋压加工过程如下：
步骤1：工件焊接。将两块7N01铝合金母材板采用5356铝合金焊丝对接焊，焊接方法为熔化极惰性气体保护焊(MIG)。
步骤2：旋压刀具和工件装卡。将旋压刀具装卡在旋压机轴承上，将工件装卡在工作台上，工件被加工表面与旋压刀具轴线平行。
步骤3：对刀。通过表面旋压机双作用伺服液压系统操作工作台和旋压刀具，令圆筒状刀具外表面最下面的母线与工作台上的工件待强化表面接触。
步骤4：参数设置。设置下压量为200μm，设置进刀速度(即工作台沿刀具轴向移动速度)为10mm/min，设置刀具转数为500r/min。
步骤5：旋压强化加工。启动旋压机开始进行表面旋压加工。
步骤6：硬化层微观组织和力学性能检测。加工完成后取下工件，切取样品进行金相检测和硬度梯度测试。经表面旋压强化加工后，7N01铝合金焊接接头的主要强化技术参数列于表2。
经表面旋压强化加工后，7N01铝合金焊接接头表面粗糙度降低至Ra<1.0μm以下。
表2 7N01铝合金焊接接头旋压强化技术参数统计表
| 项目 | 主要参数 |
| 材料 | 7N01铝合金焊接接头 |
| 旋压强化前抗拉强度 | 295MPa |
| 旋压强化后抗拉强度 | 315MPa |
| 旋压强化前焊缝表面平均显微硬度 | 80HV |
| 旋压强化后焊缝表面平均显微硬度 | 105HV |
| 旋压强化后焊缝显微硬度梯度层深度 | 约50μm |
| 旋压强化后焊缝显微硬度提升百分比 | 31％ |
以上实施例1-2所取得的技术效果详细说明如下：
(1)技术效果一：采用金属表面旋压强化方法加工结构钢和高强铝合金焊接接头均可以显著提升表层显微硬度。采用金属表面旋压强化方法加工带有焊缝的45#钢和7N01高强铝合金，结果均获得了表层显微硬度的显著提升。两种样品的表面显微硬度分布曲线和横截面显微硬度梯度曲线如图2所示。图2(a)和图2(b)中黑色曲线为焊接态样品焊接接头附近的表面显微维氏硬度曲线，红色曲线为旋压样品焊接接头附近的表面显微维氏硬度曲线，中心部分的曲线为焊缝区，曲线的两侧为基体区。对于45#钢和7N01铝合金两种样品，与基体母材相比，焊缝区的显微硬度均有一定程度的损失，显微硬度分别降低了13％和38％。从图中发现，经过表面旋压处理后两种样品的焊缝区和基体区表面显微硬度均有一定程度的提高。
图2(a)可以看出45#钢焊接处理后热影响区显微硬度显著升高，这是由于焊接过程高温导致焊缝附近母材奥氏体化后和冷却速度过快形成的淬火马氏体组织，强度硬度升高，塑性韧性下降。表面旋压强化过程中的短时高温对此淬火组织产生了低温回火处理，显微硬度有所降低，焊缝区和基体区由于细晶强化表面显微硬度提高，最终使得表层的力学性能更加均匀。图2(b)可看出7N01铝合金焊接接头各区域经过细晶强化和加工硬化，表层显微硬度显著提升。
从图2(c)和图2(d)中可以看出，两种样品焊接接头各个区域近表面层的显微硬度随距表面距离的增加而减小，直至各区域显微硬度的平均水平。45#钢焊缝区、热影响区、基体区的硬化层深分别为300μm，250μm和150μm；7N01铝合金焊缝区的硬化层深约50μm。表面硬化层的深度与金属材料的原显微硬度和加工硬化能力有关，材料的原显微硬度越低，加工硬化能力越高，经过表面旋压强化后的表面硬化层深度越大。图2(c)和图2(d)说明表面旋压处理后，不同样品焊接接头的不同区域均有一定程度的表层显微硬度梯度。不同样品焊接接头的不同区域由于材料的原始显微硬度和加工硬化能力不同导致表面强化后的表面最大显微硬度和硬化层深也不同。对于结构钢而言，原始显微硬度越低，加工硬化能力越高，表面强化效果越好。
(2)技术效果二：采用金属表面旋压强化方法加工结构钢和高强铝合金焊接接头可以获得梯度组织结构。采用金属表面旋压强化方法加工带有焊缝的45#钢和7N01高强铝合金，结果在焊缝表层金属中获得梯度组织结构(如图3所示)，金相显微镜下观察各样品横截面的显微组织结构发现，45#钢焊缝区表层由于严重的塑性变形表层晶粒细化，亚表层晶粒沿着加工方向被拉长变形；7N01铝合金焊缝表层晶粒尺寸过大(超过100μm)，晶粒细化较难，但表层的平均晶体错取向(KAM)升高，说明晶内和晶间仍产生了一定的微观塑性变形，同时焊缝表层的透射形貌(TEM)表明焊缝表层的位错密度显著提高。
(3)技术效果三：采用金属表面旋压强化方法加工结构钢和高强铝合金焊接接头可以得到低表面粗糙度的焊接接头。采用金属表面旋压强化方法加工带有焊缝的45#钢和7N01高强铝合金，焊接接头表面的焊接余高全部被消除，表面的焊接缺陷基本被消除，表面粗糙度显著降低。使用不同螺旋线参数设计的旋压刀具加工不同的金属材料，样品表面的粗糙度水平不同，图4展示了表面旋压前后7N01铝合金焊接接头的宏观效果图和旋压后表面三维轮廓图，表面旋压前焊缝表面残留有一定量的焊接余高，焊接余高处易形成应力集中增大焊接接头表面的应力水平，表面旋压强化明显消除了金属焊接接头的焊接余高，样品表面被加工成明显的镜面，表面粗糙度Ra<1μm。
(4)技术效果四：采用金属表面旋压强化方法对金属焊接构件实施表面强化，可以明显降低焊接接头的残余拉应力水平。采用金属表面旋压强化方法加工带有焊缝的45#钢和7N01高强铝合金，结果焊接接头残余拉应力水平明显降低。采用盲孔法测得两种样品垂直于焊接方向的横向残余应力分布曲线如图5所示。图5(a)和图5(b)中红色曲线为焊接态样品焊接接头附近的残余应力曲线，蓝色曲线为旋压样品焊接接头附近的残余应力曲线。焊接处理后样品焊接接头由于焊接过程中不均匀的温度分布和焊缝金属冷缩及相变等因素，造成焊缝区及热影响区存在明显的残余拉应力，这会显著升高焊接接头的应力水平。表面旋压处理过程中的短时的高热使得焊接接头拉应力水平明显降低，并且旋压刀具对材料的纵向压应力和横向剪切应力向构件表面引入了部分残余压应力，降低了焊接接头的应力水平。
(5)技术效果五：采用金属表面旋压强化方法加工结构钢和高强铝合金焊接接头可以提升拉拉疲劳寿命。采用金属表面旋压强化方法加工7N01铝合金和45#钢焊接接头，结果这两种样品的拉拉疲劳寿命显著提升。根据疲劳实验结果显示(图6)，在最大应力为150MPa，应力比R＝0.1的情况下，表面旋压强化后的7N01铝合金焊接接头疲劳试样有两个在300万循环周次下发生疲劳开裂，一个样品1000万周仍未发生疲劳开裂。而未经过表面旋压强化处理的3个焊接态样品均发生了疲劳断裂，疲劳寿命分别为10.2万周、92.6万周、447.1万周。整体来看，表面旋压强化处理后，7N01铝合金焊接接头样品的疲劳寿命明显提高。45#钢焊接接头样品在最大应力为500MPa，应力比R＝0.1条件下的疲劳寿命均远低于106循环周次，而经过表面旋压强化后，样品的疲劳寿命接近母材样品(>106)，仅有一个样品是由于焊缝较大的心部气孔所导致的疲劳开裂，疲劳寿命较低。
(6)技术效果六：金属表面旋压强化方法对金属焊接构件实施表面强化，可以大幅度提高金属焊接构件疲劳寿命，提高了焊接构件的安全可靠性，给企业和社会带来了巨大的经济效益。金属表面旋压强化技术是一种冷加工表面强化技术，该技术可以通过大幅度提升金属焊接接头表面硬度和强度，降低残余应力水平，消除表面焊接余高和缺陷，最终提高板类金属焊接构件的疲劳寿命。且金属表面旋压强化方法实施比较简单，加工效率高能量损失低，表面粗糙度低，工艺不复杂，有利于推广。这给企业和社会带来了巨大的经济效益，同时使板类金属焊接构件更加安全可靠，保障了消费者的财产和生命安全。
Claims (5)
1.一种焊接接头疲劳延寿方法，其特征在于：该方法是采用表面旋压装置对焊接接头进行表面旋压强化加工，在机械清理焊接接头余高的同时，通过控制表面强化过程中的热输入量消除焊接残余应力，从而提升焊接接头的疲劳寿命；
所述表面旋压装置包括加工刀具，所述加工刀具包括圆柱状刀具基体及基体表面上的双螺旋线形刀刃；所述加工刀具的材质为高速工具钢；
所述双螺旋线形刀刃的节距值为150-500mm，牙厚为0.2-2.0mm，牙宽1.0-3.0mm，螺旋凹槽深度为0.2-2.0mm的刀具；
所述表面旋压装置还包括加工刀具和工作台；其中：所述焊接接头固定于所述工作台上，并能随工作台在二维平面内移动，所述加工刀具置于所述焊接接头上方，加工刀具能够绕其轴线旋转以及沿竖直方向移动；工作台及刀具的动作均由数控机床控制；
所述焊接接头疲劳延寿方法具体包括如下步骤：
(1)板状母材采用对接方式焊接，得到带有焊接接头的工件；
(2)将工件固定在工作台上，将加工刀具固定于工件焊接接头的一侧上方；
(3)进行表面旋压强化加工，控制工作台移动，使刀具从焊接接头一侧移动到另一侧；加工过程中：加工刀具转速为100-600r/min，工作台沿刀具轴向方向的移动速度为10-30mm/min，垂直于刀具轴线方向进刀，进刀位移范围为0-5000μm；其中：对于焊后最大残余拉应力200-500MPa的焊接接头，采用≤15mm/min的加工速度；对于焊后最大残余拉应力≤200MPa的焊接接头，采用≤20mm/min的加工速度。
2.根据权利要求1所述的焊接接头疲劳延寿方法，其特征在于：所述加工刀具的圆柱状刀具基体沿轴线方向加工有安装通孔，或者刀具基体的两端设有柱状凸起，所述安装通孔及柱状凸起均用于将所述加工刀具安装固定于机床上。
3.根据权利要求1所述的焊接接头疲劳延寿方法，其特征在于：所述加工刀具的双螺旋线形刀刃的横截面为梯形或矩形。
4.根据权利要求1所述的焊接接头疲劳延寿方法，其特征在于：步骤(2)中，工件的被加工表面与加工刀具的轴线平行。
5.根据权利要求1所述的焊接接头疲劳延寿方法，其特征在于：所述焊接接头为钢、铜合金、铝合金或钛合金焊接接头。
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