3改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的工藝方法
焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個部位，如果焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強度，①減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；②改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場。這些改進方法可以分為兩大類，如表1所示
焊接過程優(yōu)化方法不僅是針對提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度而考慮，同時對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此不多贅述。
表1焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的改善方法
下面從工藝方法角度考慮分三部分詳細論述改善焊接接頭疲勞強度的主要方法。
3.1改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法
3.1 .1 TIG熔修
國內(nèi)外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡。減少了應(yīng)力集中，同時也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強度提高。
熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm處，并要保持重熔部位潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時，如何處理重新起弧的方法，因為這勢必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國際焊接學(xué)會組織歐洲一些國家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國焊接研究所制備的試樣進行了—些改善接頭疲勞強度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實經(jīng)該方法處理后該接頭的2×106循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強度提高58%，如果將得到的211MPa的疲勞強度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值（K指標(biāo)）為144MPa.它己高出國際焊學(xué)會的接頭細節(jié)疲勞強度中的的FAT值。
3.1 .2機械加工
若對焊縫表面進行機械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對接接頭的疲勞強度也相應(yīng)提高，當(dāng)焊縫不存在缺陷時，接頭的疲勞強度可高于基本金屬的疲勞強度。但是這種表面機械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無意義的。如果存有未焊透缺陷，因為疲勞裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機加工反而往往會降低接頭疲勞強度。
有時不用對整體焊縫金屬進行機加工，而只需對焊趾處采用機械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度提高接頭疲勞強度。研究表明，在這種情況下，起裂點不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。
前蘇聯(lián)Makorov對高強鋼（抗拉強度σb=1080 MPa）橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲勞強度試驗表明，在焊態(tài)條件下2×106循環(huán)次數(shù)時疲勞強度為±150MPa，如果對焊縫進行機械加工處理，除去余高，則疲勞強度提高到±275MPa，這已與基本金屬的疲勞強度相當(dāng)。但如果對焊趾處進行局部磨削加工，其疲勞強度為±245MPa，它是機加工效果的83%，與焊態(tài)相比，疲勞強度提高65%，當(dāng)然不論是采用機加工方法，還是磨削方法，如果不能仔細按要求進行，以便保證加工效果，疲勞強度的提高是有限的。3.1 .3砂輪打磨
采用砂輪磨削，雖然其效果不如機械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強度的有效方法。國際焊接學(xué)會推薦采用高速電力或水力驅(qū)動的砂輪，轉(zhuǎn)速為（15000~40000）r/min，砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)等于或大于1/4板厚。國際焊接學(xué)會最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2×106循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強度提高45%，如果將得到的199MPa疲勞強度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值（135MPa）它也高于國際焊接學(xué)會的接頭細節(jié)疲勞強度中的的FAT值。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會留下與力線垂直的刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強度的作用。3.1 .4特種焊條方法
本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可以改善焊縫的過渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接接頭的疲勞強度。與TIG熔修的缺點相類似，它對焊接位置具有較強的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。
3.2調(diào)整殘余應(yīng)力場產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法
3.2.1預(yù)過載法
假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)（如橋梁、壓力容器等）投入運行前需進行一定的預(yù)過載試驗，這對提高疲勞性能是有利的。
3.2.2局部加熱
采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對提高接頭疲勞強度是有利的。這種方法目前限用于縱向非連續(xù)焊縫，或具有縱向加筋板的接頭對于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的1/3，對于雙面角接板情況加熱位置為板件中心。這樣可以保證在焊縫內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而可以提高接頭的疲勞強度。不同研究者應(yīng)用該方法得到的效果有所不同，對單面角接板，提高疲勞強度145%-150%，對雙面角接板，提高疲勞強度70%-187%，。
局部加熱位置對接頭的疲勞強度有重要的影響，當(dāng)點狀加熱是在焊縫端部處兩則進行時，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應(yīng)力，結(jié)果疲勞強度提高53%；但是當(dāng)點狀加熱是在焊縫端部試樣中心進行時，距焊縫端部距離是相同的，這雖然產(chǎn)生了同樣的金相組織影響，但由于殘余應(yīng)力為拉伸殘余應(yīng)力，則所測量到的接頭疲勞強度與非處理試樣相同。
3.2.3擠壓法
局部擠壓機制與點狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應(yīng)力提高接頭疲勞強度。但是其作用點是不同的，擠壓位置應(yīng)位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。高強鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。
3.2.4 Gurnnerts方法
由于有時難以準確地確定局部加熱法的加熱位置和加熱溫度，為了獲得滿意效果，Gunnert提出一種方法%考%試|大|，該方法的要點是直接向缺口部位而不是附近部位加熱到能產(chǎn)生塑性變形但低于相變溫度55℃的溫度或550℃，然后急劇噴淋冷卻之。由于表層下金屬和其周圍未受噴淋的金屬冷卻的較晚，待其冷卻時收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。藉此壓縮應(yīng)力即可提高構(gòu)件的疲勞強度。需要注意的是：為了使底層亦達到加熱目的，加熱過程要緩慢些，Gunnert建議加熱時間為3min，而Harrison建議加熱時間為5min.
Ohta采用此方法成功的防止了對接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。具體方法是管道外部采用感應(yīng)法加熱，里面用循環(huán)水冷卻。因此在管道內(nèi)部產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，因而有效地防止了疲勞裂紋在管道內(nèi)部產(chǎn)生。處理后對接焊縫管道的疲勞裂紋擴展速率大為降低，達到與母材相同的裂紋擴展速率。
3.3降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼二有之的方法
3.3 .1錘擊法
錘擊法是冷加工方法，其作用是在接頭焊趾處表面造成壓縮應(yīng)力。因此，本方法的有效性與在焊趾表面產(chǎn)生的塑性變形有關(guān)；同時錘擊還可以減少存在的缺口尖銳度，因而減少了應(yīng)力集中，這也是大幅度提高接頭疲勞強度的原因。國際焊接學(xué)會推薦的氣錘壓力應(yīng)為5~6Pa.錘頭頂部應(yīng)為8~12mm直徑的實體材料，推薦采用4次沖擊以保證錘擊深度達0.6mm.國際焊接學(xué)會最近的工作表明，對于非承載T形接頭，錘擊后其2×106循環(huán)下接頭疲勞強度提高54%.
3.3 .2噴丸
噴丸是錘擊的另一種形式，也屬沖擊加工的方法。噴九的效果依賴于噴丸直徑尺寸，噴丸尺寸不%考%試|大|應(yīng)過大，以使其能處理微小的缺陷。同時，噴丸尺寸亦不應(yīng)過小，以保證一定的冷作硬化性能，噴丸一般可在表面上的千分之幾毫米的深度上發(fā)生作用。研究結(jié)果表明，噴丸能顯著地提高高強鋼接頭的疲勞強度，噴丸對氬弧焊高強鋼材料具有突出的效果，其程度甚至高于TIG熔修。同時TIG熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。
焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個部位，如果焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強度，①減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；②改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場。這些改進方法可以分為兩大類，如表1所示
焊接過程優(yōu)化方法不僅是針對提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度而考慮，同時對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此不多贅述。
表1焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的改善方法
下面從工藝方法角度考慮分三部分詳細論述改善焊接接頭疲勞強度的主要方法。
3.1改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法
3.1 .1 TIG熔修
國內(nèi)外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡。減少了應(yīng)力集中，同時也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強度提高。
熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm處，并要保持重熔部位潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時，如何處理重新起弧的方法，因為這勢必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國際焊接學(xué)會組織歐洲一些國家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國焊接研究所制備的試樣進行了—些改善接頭疲勞強度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實經(jīng)該方法處理后該接頭的2×106循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強度提高58%，如果將得到的211MPa的疲勞強度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值（K指標(biāo)）為144MPa.它己高出國際焊學(xué)會的接頭細節(jié)疲勞強度中的的FAT值。
3.1 .2機械加工
若對焊縫表面進行機械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對接接頭的疲勞強度也相應(yīng)提高，當(dāng)焊縫不存在缺陷時，接頭的疲勞強度可高于基本金屬的疲勞強度。但是這種表面機械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無意義的。如果存有未焊透缺陷，因為疲勞裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機加工反而往往會降低接頭疲勞強度。
有時不用對整體焊縫金屬進行機加工，而只需對焊趾處采用機械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度提高接頭疲勞強度。研究表明，在這種情況下，起裂點不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。
前蘇聯(lián)Makorov對高強鋼（抗拉強度σb=1080 MPa）橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲勞強度試驗表明，在焊態(tài)條件下2×106循環(huán)次數(shù)時疲勞強度為±150MPa，如果對焊縫進行機械加工處理，除去余高，則疲勞強度提高到±275MPa，這已與基本金屬的疲勞強度相當(dāng)。但如果對焊趾處進行局部磨削加工，其疲勞強度為±245MPa，它是機加工效果的83%，與焊態(tài)相比，疲勞強度提高65%，當(dāng)然不論是采用機加工方法，還是磨削方法，如果不能仔細按要求進行，以便保證加工效果，疲勞強度的提高是有限的。3.1 .3砂輪打磨
采用砂輪磨削，雖然其效果不如機械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強度的有效方法。國際焊接學(xué)會推薦采用高速電力或水力驅(qū)動的砂輪，轉(zhuǎn)速為（15000~40000）r/min，砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)等于或大于1/4板厚。國際焊接學(xué)會最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2×106循環(huán)下的標(biāo)稱疲勞強度提高45%，如果將得到的199MPa疲勞強度標(biāo)稱值換算成相應(yīng)的特征值（135MPa）它也高于國際焊接學(xué)會的接頭細節(jié)疲勞強度中的的FAT值。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會留下與力線垂直的刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強度的作用。3.1 .4特種焊條方法
本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可以改善焊縫的過渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接接頭的疲勞強度。與TIG熔修的缺點相類似，它對焊接位置具有較強的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。
3.2調(diào)整殘余應(yīng)力場產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法
3.2.1預(yù)過載法
假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)（如橋梁、壓力容器等）投入運行前需進行一定的預(yù)過載試驗，這對提高疲勞性能是有利的。
3.2.2局部加熱
采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對提高接頭疲勞強度是有利的。這種方法目前限用于縱向非連續(xù)焊縫，或具有縱向加筋板的接頭對于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的1/3，對于雙面角接板情況加熱位置為板件中心。這樣可以保證在焊縫內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而可以提高接頭的疲勞強度。不同研究者應(yīng)用該方法得到的效果有所不同，對單面角接板，提高疲勞強度145%-150%，對雙面角接板，提高疲勞強度70%-187%，。
局部加熱位置對接頭的疲勞強度有重要的影響，當(dāng)點狀加熱是在焊縫端部處兩則進行時，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應(yīng)力，結(jié)果疲勞強度提高53%；但是當(dāng)點狀加熱是在焊縫端部試樣中心進行時，距焊縫端部距離是相同的，這雖然產(chǎn)生了同樣的金相組織影響，但由于殘余應(yīng)力為拉伸殘余應(yīng)力，則所測量到的接頭疲勞強度與非處理試樣相同。
3.2.3擠壓法
局部擠壓機制與點狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應(yīng)力提高接頭疲勞強度。但是其作用點是不同的，擠壓位置應(yīng)位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。高強鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。
3.2.4 Gurnnerts方法
由于有時難以準確地確定局部加熱法的加熱位置和加熱溫度，為了獲得滿意效果，Gunnert提出一種方法%考%試|大|，該方法的要點是直接向缺口部位而不是附近部位加熱到能產(chǎn)生塑性變形但低于相變溫度55℃的溫度或550℃，然后急劇噴淋冷卻之。由于表層下金屬和其周圍未受噴淋的金屬冷卻的較晚，待其冷卻時收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。藉此壓縮應(yīng)力即可提高構(gòu)件的疲勞強度。需要注意的是：為了使底層亦達到加熱目的，加熱過程要緩慢些，Gunnert建議加熱時間為3min，而Harrison建議加熱時間為5min.
Ohta采用此方法成功的防止了對接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。具體方法是管道外部采用感應(yīng)法加熱，里面用循環(huán)水冷卻。因此在管道內(nèi)部產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，因而有效地防止了疲勞裂紋在管道內(nèi)部產(chǎn)生。處理后對接焊縫管道的疲勞裂紋擴展速率大為降低，達到與母材相同的裂紋擴展速率。
3.3降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼二有之的方法
3.3 .1錘擊法
錘擊法是冷加工方法，其作用是在接頭焊趾處表面造成壓縮應(yīng)力。因此，本方法的有效性與在焊趾表面產(chǎn)生的塑性變形有關(guān)；同時錘擊還可以減少存在的缺口尖銳度，因而減少了應(yīng)力集中，這也是大幅度提高接頭疲勞強度的原因。國際焊接學(xué)會推薦的氣錘壓力應(yīng)為5~6Pa.錘頭頂部應(yīng)為8~12mm直徑的實體材料，推薦采用4次沖擊以保證錘擊深度達0.6mm.國際焊接學(xué)會最近的工作表明，對于非承載T形接頭，錘擊后其2×106循環(huán)下接頭疲勞強度提高54%.
3.3 .2噴丸
噴丸是錘擊的另一種形式，也屬沖擊加工的方法。噴九的效果依賴于噴丸直徑尺寸，噴丸尺寸不%考%試|大|應(yīng)過大，以使其能處理微小的缺陷。同時，噴丸尺寸亦不應(yīng)過小，以保證一定的冷作硬化性能，噴丸一般可在表面上的千分之幾毫米的深度上發(fā)生作用。研究結(jié)果表明，噴丸能顯著地提高高強鋼接頭的疲勞強度，噴丸對氬弧焊高強鋼材料具有突出的效果，其程度甚至高于TIG熔修。同時TIG熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。