CN203843384U - 具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头，属于焊接领域。在接头基体的表面设置金属粉末喷焊涂层，其中，焊趾部位的金属粉末喷焊涂层的厚度为2~5mm，接头基体表面的金属粉末喷焊涂层的厚度为0~2mm。所述的金属粉末喷焊涂层的外表面为圆滑弧形过渡外形。有益效果在于：结构新颖、简单，既能降低焊趾处的应力集中又能在焊趾表层形成残余压缩应力，同时接头整体力学性能增强。疲劳性能得到了大幅度提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及焊接领域，特别涉及一种具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头。
背景技术
焊接是伴随着钢铁等金属材料的冶炼及各种热源的应用而产生的，春秋战国时期就已经出现采用钎焊连接而成的大型焊接结构件。进入20世纪，随着各种焊接材料及焊接方法的产生，焊接已经广泛应用于复杂金属结构、异种材料之间的连接。我国45%以上的钢铁产量都应用于焊接结构中，工业水平发达的国家这一比例更高。随着焊接结构的广泛应用，不断发生焊接结构的疲劳断裂事故。在国外，80年代日本的Alexan-derkeyland号钻井平台因疲劳失效在北海翻沉。在国内，90年代的高速列车转向架经常发生疲劳断裂失效，给国家造成了巨大的经济损失和安全隐患。
构成焊接结构的焊接接头焊趾部位存在的应力集中、焊接残余拉应力和各种焊接缺陷的联合作用是焊接结构疲劳断裂事故多发的主要原因。鉴于焊接接头为薄弱环节，在各种标准及规范制定时不再采用基本金属的疲劳数据作为整体结构强度的校核指标，这样会造成材料的大量浪费，同时也增加了制造周期和成本，即使以焊接接头作为疲劳强度的校核指标，在接头局部应力集中作用下仍然会发生整体结构的过早疲劳失效。因此，提高焊接接头疲劳强度一直都是国际相关专家研究的热点。针对焊接接头焊趾处疲劳裂纹的起裂性能，专家学者们主要从以下两个方面来寻求改善措施：
(1) 改善焊缝的几何外形，增加焊趾处的过渡半径，降低焊趾部位的应力集中，如TIG熔修和焊趾打磨。
(2) 调整焊接接头表层的残余应力场，降低焊趾部位的残余拉应力，甚至转变为残余压缩应力，如Shot blasting和Hammering method。
这些改善焊接接头疲劳强度的方法和措施使用的场合和方式各不相同，具有各自的优点，但都不同程度的提高了焊接接头的疲劳性能。上述各种方法虽然都在一定程度上提高了焊接接头的疲劳性能，然而都存在一定的问题。TIG熔修通过氩弧调整接头焊趾处的形状容易导致该位置的强度降低；Weld grinding也存在强度降低的问题；过载和挤压法容易引起非焊接接头部位材料力学性能的变化；局部加热和喷丸法等工艺流程复杂；锤击法噪音严重等；超声冲击法因其不能较大程度的改变焊缝表面的几何外形而使得焊接接头表层形成的残余压应力极容易因载荷的突变而释放，即无法保证残余压缩应力自始至终在焊接接头表层存在；低相变点焊条(Low Transformation Temperature Welding Electrode, LTTE)法在焊趾处形成了较大的残余压缩应力，但是焊条的制备过程复杂、费用高、效率较低，同时通过焊条也不能较大程度的改善焊趾处的几何外形。低相变点喷涂法采用低相变点合金粉末代替低相变点焊条直接喷射于十字焊接接头表层可以获得较好的几何外形，同时在焊趾处形成了较大的残余压缩应力，有效提高了焊接接头的疲劳强度。然而这种提高仅限于高周疲劳，低周疲劳时会因喷涂层较脆以及喷涂层与基体间较弱的结合力而导致涂层与基体焊缝剥离，反而降低结构件的疲劳寿命。为此，寻求一种既能改变焊趾处的几何外形，又能在焊趾处产生残余压缩应力的新型十字焊接接头具有重要的现实意义。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头，解决了现有技术存在的上述问题及常规十字焊接接头疲劳性能较弱的缺点。本实用新型既能降低焊趾处的应力集中又能在焊趾表层形成残余压缩应力，同时接头整体力学性能增强。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头，在接头基体1的表面设置金属粉末喷焊涂层2，其中，焊趾部位3的金属粉末喷焊涂层2的厚度为2~5mm，接头基体1表面的金属粉末喷焊涂层2的厚度为0~2mm。
所述的金属粉末喷焊涂层2的外表面为圆滑弧形过渡外形4。
采用有限元模拟的方式对比本新型十字焊接接头与常规十字焊接接头焊趾处的应力集中状况。常规十字焊接接头焊趾处应力集中系数为2.1～2.6，新型十字焊接接头焊趾处应力集中系数为1.1～1.4，应力集中系数明显降低，降低幅度接近2倍。高周疲劳试验结果表明：超声冲击处理的低碳钢十字接头在2×106循环周次下的疲劳强度与常规十字焊接接头相比提高了25%～30%；等离子喷焊修形处理的低碳钢十字接头在2×106循环周次下的疲劳强度与常规十字焊接接头相比提高了40%～50%；本实用新型的新型低碳钢十字焊接接头在2×106循环周次下的疲劳强度与常规十字焊接接头相比提高了65%～75%。
本实用新型的有益效果在于：结构新颖、简单，既能降低焊趾处的应力集中又能在焊趾表层形成残余压缩应力，同时接头整体力学性能增强。疲劳性能得到了大幅度提高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的应力集中系数有限元模拟结果图；
图3为常规十字焊接接头的应力集中系数有限元模拟结果图。
图中：1、接头基体；2、金属粉末喷焊涂层；3、焊趾部位；4、圆滑弧形过渡外形。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。
参见图1，本实用新型的具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头，采用等离子喷焊设备先在常规十字焊接接头表层喷焊一层与基体形成冶金结合的高曲率半径且表面光滑的涂层，有效降低了接头焊趾处的应力集中，在此基础上采用超声冲击设备对喷焊后接头进行超声冲击处理，这样又在接头表层形成了残余压缩应力，抑制疲劳裂纹萌生和扩展。新型十字焊接接头喷焊层在焊趾处较厚，最厚为2-5mm，在焊缝中心位置可以较薄。其结构是在接头基体1的表面设置金属粉末喷焊涂层2，其中，焊趾部位3的金属粉末喷焊涂层2的厚度为2~5mm，接头基体1表面的金属粉末喷焊涂层2的厚度为0~2mm。
所述的金属粉末喷焊涂层2的外表面为圆滑弧形过渡外形4。
实施例1
本实用新型的十字焊接接头喷焊涂层和基体焊缝试样抛光后在1000倍下结合区域的显微照片显示：喷焊涂层与焊缝之间并没有明显的分界线，取而代之的是一段完美的过渡区域。出现这样的原因是喷焊涂层与焊缝之间形成了完全的冶金结合，而不是点状的冶金结合和简单的机械结合，因此等离子喷焊涂层与基体焊缝的结合强度将明显增强，该新型十字焊接接头的整体力学性能也将随之增强。
实施例2
针对母材为Q235钢的CO2焊常规十字焊接接头以及经过Ni80Cr3.0B0.15Si3.0粉末的等离子喷焊和超声冲击复合处理后的新型十字焊接接头的疲劳试验结果显示：与常规十字焊接接头相比，新型十字焊接接头对应于2×106循环周次下的疲劳强度提高了40-50%，寿命延长了12-18倍。
实施例3
针对母材为Q235钢的CO2焊常规十字焊接接头以及经过强度更高的Ni65Cr16B3.1Si4.5粉末的等离子喷焊和超声冲击复合处理后的新型十字焊接接头的疲劳试验结果显示：与常规十字焊接接头相比，新型十字焊接接头对应于2×106循环周次下的疲劳强度提高了60-75%，寿命延长了15-20倍。这是因为强度高的喷焊涂层经过超声冲击处理后表面残余压缩应力也相应提高，因此新型十字接头的疲劳寿命更进一步延长。
实施例4
新型十字焊接接头焊趾处应力集中显著降低，如附图2及图3所示，结合常规十字焊接接头和新型十字焊接接头尺寸，进行了应力集中系数的有限元模拟分析。有限元分析结果表明：常规十字焊接接头焊趾处应力集中系数为2.461，基于等离子喷焊和超声冲击复合法处理的新型十字焊接接头焊趾处应力集中系数为1.113，应力集中系数明显降低，降低幅度超过2倍。
以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头，其特征在于：在接头基体（1）的表面设置金属粉末喷焊涂层（2），其中，焊趾部位（3）的金属粉末喷焊涂层（2）的厚度为2~5mm，接头基体（1）表面的金属粉末喷焊涂层（2）的厚度为0~2mm。
2.根据权利要求1所述的具有高疲劳寿命的新型十字焊接接头，其特征在于：所述的金属粉末喷焊涂层（2）的外表面为圆滑弧形过渡外形（4）。
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