热处理加超声冲击复合处理对Q345B钢焊接接头疲劳性能的影响
发布时间：2021-06-29 20:04
通过对比分析直接超声冲击、普通热处理加超声冲击及真空热处理加超声冲击对Q345B钢焊接接头疲劳寿命的影响,探讨了热处理加超声冲击复合处理对焊接接头疲劳性能的作用机制.结果表明,普通热处理加超声冲击相较于直接超声冲击,焊接接头的焊接残余应力虽然有所消除,但由于材料软化使冲击产生的压应力降低及表面氧化使形成叠型缺陷的风险提高,疲劳性能有所降低,且随热处理保温时间延长,疲劳性能降低得越明显;真空热处理加超声冲击焊接接头虽然也存在材料软化,但由于不发生表面氧化加上残余拉应力消除,相较于直接超声冲击焊接接头的疲劳寿命有所提高,且疲劳破坏位置由焊趾转移到母材或焊根.
【文章来源】：焊接学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
疲劳试件尺寸(mm)
疲劳试件焊接后，根据AWS D1.1-D1.1M-2015Structural Welding Code-Steel中规定的消应力退火热处理工艺消除焊接残余应力.热处理分为3组：普通热处理保温2 h、普通热处理保温4 h、真空热处理保温2 h，其中保温2 h的热处理工艺曲线如图2所示(热处理保温4 h仅在保温时间延长2 h，其它参数不变).热处理后，采用天津大学自行研制的超声冲击设备对试件焊趾部位进行超声冲击处理.超声冲击处理参数为：振幅36μm，频率17.9 kHz，冲击速度40 mm/min，单根冲击针直径3 mm.疲劳试验在GPS300型疲劳试验机上进行，应力比R=0.1.疲劳试件共分4组：A组为超声冲击态、B组为普通热处理2 h加超声冲击态、C组为普通热处理4 h加超声冲击态、D组为真空热处理2 h加超声冲击态.当试件的循环次数达到1×107周次，即停止疲劳试验，认为试件达到疲劳极限，不再发生断裂.采用显微硬度计测试焊趾断面沿厚度方向的硬度，从焊趾近表面开始至心部每隔0.125 mm测试一个点，加载载荷为1 N，保载时间为15 s.采用MTS型万能试验机测试各组试件的拉伸性能，拉伸试样为?5 mm×35 mm圆棒试样，拉伸速度为2 mm/min.为了分析各组试件经超声冲击后残余应力的变化规律，采用PROTO-IXRD-MG40型残余应力测试仪测试距焊趾2～3 mm处的残余应力.同时，为了分析普通热处理和真空热处理后表面形貌的变化，采用Olympus GX51型光学显微镜及JEOL7800F型扫描电子显微镜(SEM)观察超声冲击态、普通热处理2 h加超声冲击态、普通热处理4 h加超声冲击冲击态和真空热处理2 h加超声冲击态试件焊趾断面的微观组织形貌，腐蚀液为为4%(体积分数)的硝酸酒精溶液.
按照IIW document XIII-2151r1-07/XV-1254r1-07Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components中钢结构循环加载疲劳设计规范的统计方法对疲劳数据进行拟合，得到4组试件的S-N曲线如图3所示，并计算平均疲劳强度(50%存活率，循环2×106周次失效对应的应力范围)，拟合及计算结果如表3所示.由图3及表3可以看出，超声冲击态试件的平均疲劳强度246 MPa，相对于直接超声冲击试件的疲劳强度，普通热处理2 h加超声冲击态试件的平均疲劳强度降低2.8%，普通热处理4 h加超声冲击态试件的疲劳强度降低6.5%，而真空热处理2 h加超声冲击态试件的疲劳寿命高于其它3组，在应力范围为260 MPa下，接头的疲劳寿命相较于直接超声冲击态提高了59.4%，相较于普通热处理2 h加超声冲击态提高了141.7%.疲劳试验结果表明，与直接超声冲击相比，普通热处理加超声冲击复合处理试件的疲劳性能有所降低，且随热处理保温时间延长，疲劳性能降低越明显；而真空热处理加超声冲击复合处理有利于进一步提高疲劳性能.此外，直接超声冲击处理和普通热处理加超声冲击复合处理后试件的起裂位置均在焊趾处；而真空热处理加超声冲击态试件，只有两个试样起裂位置位于焊趾处，且均为高应力区，其余均为非焊趾起裂，起裂位置为母材或焊根，如图4所示.由此可知，真空热处理加超声冲击态试件相较于直接超声冲击态试件，不仅疲劳寿命有所提高，而且疲劳起裂位置由焊趾向母材或焊根转移.
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接残余应力在热处理过程中的演变[J]. 蒋文春,王炳英,巩建鸣. 焊接学报. 2011(04)
[2]超声冲击对焊接结构残余应力的影响[J]. 饶德林,陈立功,倪纯珍,朱政强. 焊接学报. 2005(04)
[3]超声冲击法提高低碳钢焊接接头疲劳强度的研究[J]. 王东坡,霍立兴,张玉凤,杨新歧,荆洪阳. 机械强度. 1999(04)
本文编号：3257076
【文章来源】：焊接学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
疲劳试件尺寸(mm)
疲劳试件焊接后，根据AWS D1.1-D1.1M-2015Structural Welding Code-Steel中规定的消应力退火热处理工艺消除焊接残余应力.热处理分为3组：普通热处理保温2 h、普通热处理保温4 h、真空热处理保温2 h，其中保温2 h的热处理工艺曲线如图2所示(热处理保温4 h仅在保温时间延长2 h，其它参数不变).热处理后，采用天津大学自行研制的超声冲击设备对试件焊趾部位进行超声冲击处理.超声冲击处理参数为：振幅36μm，频率17.9 kHz，冲击速度40 mm/min，单根冲击针直径3 mm.疲劳试验在GPS300型疲劳试验机上进行，应力比R=0.1.疲劳试件共分4组：A组为超声冲击态、B组为普通热处理2 h加超声冲击态、C组为普通热处理4 h加超声冲击态、D组为真空热处理2 h加超声冲击态.当试件的循环次数达到1×107周次，即停止疲劳试验，认为试件达到疲劳极限，不再发生断裂.采用显微硬度计测试焊趾断面沿厚度方向的硬度，从焊趾近表面开始至心部每隔0.125 mm测试一个点，加载载荷为1 N，保载时间为15 s.采用MTS型万能试验机测试各组试件的拉伸性能，拉伸试样为?5 mm×35 mm圆棒试样，拉伸速度为2 mm/min.为了分析各组试件经超声冲击后残余应力的变化规律，采用PROTO-IXRD-MG40型残余应力测试仪测试距焊趾2～3 mm处的残余应力.同时，为了分析普通热处理和真空热处理后表面形貌的变化，采用Olympus GX51型光学显微镜及JEOL7800F型扫描电子显微镜(SEM)观察超声冲击态、普通热处理2 h加超声冲击态、普通热处理4 h加超声冲击冲击态和真空热处理2 h加超声冲击态试件焊趾断面的微观组织形貌，腐蚀液为为4%(体积分数)的硝酸酒精溶液.
按照IIW document XIII-2151r1-07/XV-1254r1-07Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components中钢结构循环加载疲劳设计规范的统计方法对疲劳数据进行拟合，得到4组试件的S-N曲线如图3所示，并计算平均疲劳强度(50%存活率，循环2×106周次失效对应的应力范围)，拟合及计算结果如表3所示.由图3及表3可以看出，超声冲击态试件的平均疲劳强度246 MPa，相对于直接超声冲击试件的疲劳强度，普通热处理2 h加超声冲击态试件的平均疲劳强度降低2.8%，普通热处理4 h加超声冲击态试件的疲劳强度降低6.5%，而真空热处理2 h加超声冲击态试件的疲劳寿命高于其它3组，在应力范围为260 MPa下，接头的疲劳寿命相较于直接超声冲击态提高了59.4%，相较于普通热处理2 h加超声冲击态提高了141.7%.疲劳试验结果表明，与直接超声冲击相比，普通热处理加超声冲击复合处理试件的疲劳性能有所降低，且随热处理保温时间延长，疲劳性能降低越明显；而真空热处理加超声冲击复合处理有利于进一步提高疲劳性能.此外，直接超声冲击处理和普通热处理加超声冲击复合处理后试件的起裂位置均在焊趾处；而真空热处理加超声冲击态试件，只有两个试样起裂位置位于焊趾处，且均为高应力区，其余均为非焊趾起裂，起裂位置为母材或焊根，如图4所示.由此可知，真空热处理加超声冲击态试件相较于直接超声冲击态试件，不仅疲劳寿命有所提高，而且疲劳起裂位置由焊趾向母材或焊根转移.
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接残余应力在热处理过程中的演变[J]. 蒋文春,王炳英,巩建鸣. 焊接学报. 2011(04)
[2]超声冲击对焊接结构残余应力的影响[J]. 饶德林,陈立功,倪纯珍,朱政强. 焊接学报. 2005(04)
[3]超声冲击法提高低碳钢焊接接头疲劳强度的研究[J]. 王东坡,霍立兴,张玉凤,杨新歧,荆洪阳. 机械强度. 1999(04)
本文编号：3257076
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