焊接残余应力对疲劳强度的影响及改善

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疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式，大量统计资料说明，由于疲劳而失效的金属结构约占失效结构的90%。由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，其疲劳强度大幅度地低于基体金属的疲劳强度。所以焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能，即焊接接头的抗疲劳性能关系着焊接结构能否安全使用。而焊接残余应力对于疲劳强度的影响也是人们广为关心的问题，为此人们进行了大量的试验研究工作。由于影响因素复杂，因此，人们对焊接残余应力的影响产生了不同疑虑，也有了不同的评价。
焊接接头疲劳裂纹一般启裂位置存在于焊根和焊趾两个部位，如果焊根部位的疲劳裂纹启裂的危险被抑制，焊接接头的危险点则集中于焊趾部位。许多方法可以用于提高焊接接头的疲劳强度：①减少或消灭焊接缺欠特别是开口缺陷；②改善焊趾部位的几何形状降低应力集中系数；③调节焊接残余应力场，产生残余压缩应力场等。
1.        焊接过程优化
焊接过程中应加强制造、施工的质量管理，防止或减少焊接缺陷的产生。①采用合理的构件结构形式，避免焊缝的密集、交叉分布，避免将焊缝布置在几何突变处或“高应力区”，以减少应力集中，提高其疲劳强度；②采取合理的焊接顺序，尽量让焊缝自由收缩，以减少焊接残余应力；③尽量采用应力集中系数小的对接接头形式，避免采用搭接接头；④正确选择焊接工艺参数，保证焊缝根部焊透，控制余高及焊趾几何形状。
2.        调整残余应力和加工修整焊趾
①        预超载法假如在含有应力集中的试样上施加拉伸载荷，直到在缺口处发生屈服，并伴有一定的拉伸塑性变形，卸载后则缺口及其附近发生拉伸塑性变形处将产生压缩应力，而在试样其它截面部位将有与其相平衡的低于屈服点的拉伸应力产生。受此处理的试样，在其随后的疲劳试验中，其应力范围将与原始未施加预过载的试样不同，即显著变小，因此它可以提高焊接接头的疲劳强度。大型焊接结构(如桥梁、压力容器等)投入运行前需进行一定的预过载试验，这对提高疲劳性能是有利的。但预超载法对疲劳强度的改善效果和其它方法相比不是很明显。
②        局部加热法与局部挤压法采用局部加热可以调节焊接残余应力场，即在应力集中处产生压缩残余应力，因而对提高接头疲劳强度是有利的。挤压法与加热法相似，借助局部集中的加热作用或挤压作用，引起缺口附近屈服而产生残余压应力，其效果好于超载法，但不如喷丸法。
③        射水急冷法该方法的要点是直接向缺口部位而不是附近部位加热到能产生塑性变形但低于相变温度55℃的温度，然后急剧喷淋冷却之。由于表层下金属和其周围未受喷淋的金属冷却的较晚，待其冷却时收缩将在已冷却表面上产生压缩应力。借此压缩应力即可提高构件的疲劳强度。曾采用此方法成功地防止对接管道内部产生疲劳裂纹。
④        表面压缩法包括锤击法和喷丸法，是冷加工方法，是在缺口顶端横向变形受到拘束时借助局部集中的表面压力引起屈服而产生剩余压应力的方法。锤击和喷丸还有消除微小缺口、改善缺口几何形状和冷作硬化作用。锤击和喷丸能很好地改善疲劳强度，且喷丸对于高强钢具有突出的效果，甚至可与TIG熔修相比拟。
⑤        若对焊缝表面进行机械加工，消除焊缝及其附近的各种刻槽，应力集中程度将大大减少，接头的疲劳强度也相应提高，但这种表面机械加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适于采用这种方法。
⑥        采用砂轮磨削，虽然其效果不如机械加工，但也是一种提高焊接接头疲劳强度的有效方法。要注意的是磨削方向应与力线方向一致，否则在焊缝中会留下与力线垂直的刻痕，它相当于应力集中源，起到降低接头疲劳强度的作用。
⑦        TIG熔修可大幅度提高焊接接头的疲劳强度。这种方法是用TIG焊炬或等离子焊炬对接头的焊趾部位重熔一次，使焊缝与基本金属之间形成平滑过渡，减少了应力集中，同时也减少了该部位的微小非金属夹渣物，因而使接头部位的疲劳强度提高。对于高强钢来说，用电弧整形法就具有更重要的意义。因为高强度钢对应力集中比较敏感，采用电弧整形法对提高疲劳强度的效果更好。同时TIG熔修配以喷丸锤击，则其效果更为显著。
⑧        特种焊条方法是研制一种新型的焊条，其液态金属和液态熔渣具有较高的溶湿能力，可以改善焊缝的过渡半径，减小焊趾角度，降低焊趾处的应力集中程度，从而提高焊接接头的疲劳强度。适合于平焊位置和平角焊，而对于立焊、横焊和仰焊，它的优越性就显著降低了。
3.        提高焊接接头疲劳强度的最新技术
①        UIT法即超声冲击处理方法，是近年来发展起来的超声冲击提高焊接接头及结构疲劳强度的方法，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。对几种典型焊接结构用钢的对接和非承载纵向角接头实施超声冲击处理，然后进行了焊态与冲击处理的对比疲劳试验，研究了超声冲击法改善焊接头疲劳强度的实际效果，对比结果见表2。可见，焊接接头经超声冲击处理后，疲劳强度提高了50%～170%，效果十分显著。
②        低相变点焊条方法
   采用低相变点焊条LTTE和普通焊条E5015分别对横向对接接头、非承载十字接头、纵向环绕角焊缝接头、纵向平行角焊缝接头和纵向对接接头施焊，并进行疲劳对比试验。结果表明，低相变点焊条LTTE接头的疲劳强度分别比普通焊条E5015接头的疲劳强度提高11%、23%、42%、46%和59%，疲劳寿命提高幅度从几倍到上百倍。由于低相变点焊条是在较低温度下发生马氏体相变体积膨胀而获得的是残余压缩应力，因此残余压缩应力的大小与焊接接头拘束度有较大关系，拘束度越大，其残余压缩应力越大，疲劳强度的提高效果也越大。
     采用非承载十字接头和纵向环绕角焊缝接头两种接头类型，分别对比了低相变点焊条焊趾熔修和普通焊条焊接接头的疲劳强度，结果是前者的疲劳强度分别比后者提高19.9%和41.7%。这为低相变点焊条LTTE更合理的在工程实际中应用进行了前期试验研究，同时低相变点焊条焊趾熔修接头的成功也可反映出低相变点焊条在盖面焊缝和近焊趾盖面焊道的应用前景。