CN1916224A - 一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法 - Google Patents

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王东坡
邓彩艳
王婷
荆洪阳
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Abstract

本发明公开了一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，采用喷焊或激光喷熔方法将喷涂材料涂覆在焊接结构的焊趾部位以在焊趾部位形成涂覆厚度在1mm－6mm之间的光滑过渡的金属覆盖层，所述的焊趾部位的涂覆厚度厚于附近区域的涂覆厚度，所述的喷涂材料为熔化态。实验结果表明：喷熔方法可以大幅度地提高焊接结构的疲劳性能。

Description

一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法
技术领域
本发明涉及一种改善焊接结构的疲劳性能的方法，尤其涉及一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法。
背景技术
焊接接头和结构广泛地应用在船舶、压力容器、车辆、桥梁、海洋工程、工程机械、航空航天、电力、冶金等重要领域，焊接结构尤其在焊趾部位易产生过早失效和安全事故。引发焊接结构装备失效的物理机制很多，如疲劳、蠕变、腐蚀、脆性断裂、磨损等，其中疲劳损伤问题较为常见。如由于提速，已使焊接接头疲劳问题成为影响铁路行车安全和钢轨使用寿命的重要伤损机制；再如轧钢设备中冷轧辊接触疲劳损伤问题迄今也没有得到妥善解决，严重地影响它们的使用寿命。
现阶段国内外主要采用TIG熔修、锤击和喷丸等方法来提高焊接接头和结构的疲劳性能，但这些方法劳动强度大、能耗高而且会产生负面影响。超声冲击以其执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，成本低而且节能等优点，适用于各种接头，是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的方法。然而，超声冲击在处理承受低周疲劳载荷时其效果并不十分明显。因此，提出一种既适合改善焊接结构高周疲劳性能又能很好地改善焊接结构低周疲劳性能的方法具有很好的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，该方法既适合改善焊接结构高周疲劳性能又能很好地改善焊接结构低周疲劳性能，该方法可以利用现有设备和材料，通过一定的处理工艺来提高包括焊接结构在内的各种焊接结构的疲劳性能。
本发明的一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，采用喷焊或激光喷熔方法将喷涂材料涂覆在焊接结构的焊趾部位以在焊趾部位形成涂覆厚度在1mm-6mm之间的光滑过渡的金属覆盖层，所述的焊趾部位的涂覆厚度厚于附近区域的涂覆厚度，所述的喷涂材料为熔化态。
实验结果表明：喷熔方法可以大幅度地提高焊接结构的疲劳性能。对于低碳钢可以提高其高周疲劳疲劳强度(2×106)50～70％(不同接头形式提高幅度有所不同)，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过1×105)内提高了5～15倍；可以提高其低周疲劳疲劳强度(2×106)20～50％(不同接头形式提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了3～40倍。对于中强钢可以提高其高周疲劳疲劳强度(2×106)56～80％(不同接头形式提高幅度有所不同)，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过1×105)内提高了6～17倍；可以提高其低周疲劳疲劳强度(2×106)25～44％(不同接头形式提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了5～30倍。对于高强钢可以提高其高周疲劳疲劳强度(2×106)80～120％(不同接头形式提高幅度有所不同)，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了13～55倍；可以提高其低周疲劳疲劳强度(2×106)20～40％(不同接头形式提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了6～100倍。通过有限元分析计算可知：这种通过喷熔的方式，对焊接接头焊趾区域进行填充成形的新技术可以使其应力集中程度大幅降低，尤其是对于应力集中严重的原始焊接接头形式效果更为明显。对于对接接头，其应力集中系数可由1.5～2.3降至1.1～1.2；对于十字接接头，其应力集中系数可由1.8～3.0降至1.15～1.3；对于纵向角接接头，其应力集中系数可由2.0～3.5降至1.2～1.35；对于管接头，其应力集中系数可由3.5～10降至1.5～2.0。
附图说明
图1为焊件原始焊态；
图2为采用一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法的焊件喷熔状态。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
如附图所示，本发明的一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，采用喷焊或激光喷熔方法将喷涂材料涂覆在焊接结构的焊趾部位，所述的喷涂材料为熔化态。所述的喷焊可以为等离子喷熔、火焰喷熔、电弧喷熔。所使用的喷熔材料为市场上出售的各种类型的、且与相应喷熔方式和被改善焊接结构所用材料和性能要求相适应的配套喷熔粉末或者丝材。该方法提高焊接结构疲劳性能的主要技术原理是通过合适的热源将金属粉末或者丝材喷涂到焊接接头的焊趾部位，或者在涂敷过程中同时将所喷材料熔化，或者涂敷后再将所喷材料熔化，在焊接接头的焊趾部位冶金结合地形成足够厚度具有高曲率半径且表面光滑过渡的金属覆盖层，这样可以大大降低焊接接头焊趾区域的应力集中程度，因此提高了焊接结构和接头的疲劳性能，所述的焊趾部位的喷涂材料的涂覆厚度为1mm-6mm，最好为2mm-6mm，厚度低于1mm难以消除焊趾部位的应力，厚度高于6mm使造价过高。
对于改善焊接结构疲劳性能的喷熔方法，其实施过程的技术要点是需要在焊接接头焊趾部位冶金结合地覆盖一层外形具有高曲率半径特征且表面光滑过渡的喷熔金属(如图2的1处所示)。这一点可以利用将喷熔设备的工具部分适当摆动技术手段，通过控制喷熔厚度且焊趾区喷熔厚度厚于附近区域来实现，可以采用常用的喷熔设备实施。
具体实施例
1.试验材料为低碳钢Q235B，接头形式为对接接头，采用火焰喷熔方式和低碳合金粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)51％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了5-7倍；提高低周疲劳疲劳强度20-30％(不同参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了4-10倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
2.试验材料为低碳钢Q235B，接头形式为对接接头，采用等离子喷熔方式和低碳合金粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)54％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了6-7倍；提高低周疲劳疲劳强度20-30％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了4-13倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
3.试验材料为低碳钢Q235B，接头形式为十字接头，采用等离子喷熔方式和低碳合金粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)69％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了8-15倍；提高低周疲劳疲劳强度31-49％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了10-37倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
4.试验材料为低合金钢16Mn，接头形式为对接接头，采用火焰喷熔方式和低合金钢粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)56％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了5-10倍；提高低周疲劳疲劳强度25-30％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了5-9倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
5.试验材料为低合金钢16Mn，接头形式为对接接头，采用等离子喷熔方式和低合金钢粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)71％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了6-11倍；提高低周疲劳疲劳强度25-33％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了6-10倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
6.试验材料为低合金钢16Mn，接头形式为十字接头，采用等离子喷熔方式和低合金钢粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)80％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了10-15倍；提高低周疲劳疲劳强度29-40％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了10-15倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
7.试验材料为低合金高强钢SS800，接头形式为对接接头，采用火焰喷熔方式和低合金高强钢喷熔粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)80％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了13-20倍；提高低周疲劳疲劳强度20-27％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了6-16倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
8.试验材料为低合金高强钢SS800，接头形式为对接接头，采用等离子喷熔方式和低合金高强钢喷熔粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)89％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了16-28倍；提高低周疲劳疲劳强度24-30％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了8-26倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。
9.试验材料为低合金高强钢SS800，接头形式为十字接头，采用等离子喷熔方式和低合金高强钢喷熔粉末。疲劳对比试验结果：与原始焊态相比，提高高周疲劳疲劳强度(2×106)120％，疲劳寿命在高周范围(循环周次超过105)内提高了20-55倍；提高低周疲劳疲劳强度25-40％(不同接头形式和参照应力水平提高幅度有所不同)，疲劳寿命在低周范围内提高了20-100倍(不同参照应力水平提高幅度有所不同)。

Claims (4)

1.一种改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，其特征在于：采用喷焊或激光喷熔方法将喷涂材料涂覆在焊接结构的焊趾部位以在焊趾部位形成涂覆厚度在1mm-6mm之间的光滑过渡的金属覆盖层，所述的焊趾部位的涂覆厚度厚于附近区域的涂覆厚度，所述的喷涂材料为熔化态。
2.根据权利要求1所述的改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，其特征在于：所述的焊趾部位的喷涂材料的涂覆厚度为2mm-6mm。
3.根据权利要求1所述的改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，其特征在于：所述的喷焊为等离子喷熔、火焰喷熔、电弧喷熔。
4.根据权利要求1所述的改善焊接结构的疲劳性能的喷熔方法，其特征在于：所述的喷涂材料为金属粉末或丝材。
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