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      噴丸與HFMI處理或使用LTT耗材對1300mpa屈服強度鋼焊接件疲勞強度的影響比較

      噴丸與HFMI處理或使用LTT耗材對1300mpa屈服強度鋼焊接件疲勞強度的影響比較

      Ebrahim Harati1,2 & Lars-Erik Svensson2 & Leif Karlsson2

      摘要:本文采用常規或低轉變溫度(LTT)型耗材,在1300MPa屈服強度鋼中制備了T型接頭試樣。焊接樣品要么經過高頻機械沖擊(HFMI)處理,要么進行噴丸處理。疲勞試驗在完全反向、恒幅彎曲下進行裝載。射擊-噴丸使疲勞強度顯著增加超過50000次循環。噴丸處理的LTT焊縫具有最高的疲勞強度,而噴丸處理的常規焊縫的疲勞強度稍低。常規焊縫和LTT焊縫的HFMI處理也提高了疲勞強度,但在較小程度上,使SN圖中的斜率接近3,而噴丸試樣的斜率為5-7。不同焊縫之間的殘余壓應力存在顯著差異,噴丸處理的試樣中的壓應力最大。這可能是噴丸試樣疲勞壽命提高的主要原因之一

      關鍵詞:疲勞力量。射門-噴丸。低變溫焊接消耗品。高頻率機械振動治療。高-力量鋼。殘余強調

      正文

      介紹

      由于對環境的要求越來越高,對輕型結構的需求也越來越大。使用比現在普遍使用的強度更高的鋼制造更輕的部件[1]。制造大型構件的一種可能方法是先生產較小的截面,然后通過焊接連接。然而,疲勞載荷是構件壽命過程中的關鍵載荷事件,而焊接接頭往往是疲勞的主要部位。這對于焊接高強度鋼尤其有問題,因為焊縫的疲勞強度通常不被視為通過增加靜強度而增加[2]。

      疲勞改善方法通常被認為是克服這種靜態疲勞特性的最佳方法。這可以通過修改焊趾幾何形狀或修改焊接引起的殘余應力來實現。前者通過降低局部應力集中系數,確保焊縫輪廓和母材之間的平穩過渡。后者會導致殘余拉伸應力的降低,甚至會產生壓縮應力[1,3]。采用高頻機械沖擊(HFMI)處理可以降低拉伸應力。在這種處理中,熔敷強度的增加被認為是由于殘余應力的改變、焊趾幾何形狀的改變以及處理區域局部硬度的增加[4-9]。

      另一種降低拉應力的方法是使用LTT焊接材料。設計這些消耗品是為了在較低溫度(通常在200°C左右)下奧氏體轉變為馬氏體而導致焊接金屬體積膨脹,從而在熔合區產生減小或壓縮的拉伸應力。十個sile應力的降低反過來導致疲勞強度的提高[10-16]。

      另外一種方法是噴丸處理,這兩種方法可能結合在一起。噴丸的沖擊降低了拉伸殘余應力,甚至可以在處理表面產生壓縮殘余應力[17,18]。還沒有研究比較LTT填料、HFMI和噴丸處理對屈服強度大于1021 MPa的鋼疲勞強度的影響。因此,本文研究了噴丸處理和HFMI對用LTT材料焊接或用常規材料焊接的1300mpa鋼試件的疲勞性能的影響。作者在以前的論文中報告了LTT與常規焊縫疲勞長度的比較[19]

      表一 化學成分基材和填充材料(wt. %)。對于焊接金屬,它是標稱的全焊縫金屬已知的合成

      image.png 

      材料和方法

      1 基底和填充材料

      采用厚度為15mm的Weldox 1300鋼板作為母材。屈服強度和抗拉強度分別為1295mpa和1562mpa。

      使用了三種填料,一種是試驗性的,另一種是商業性的。實驗設計的填充線是一種金屬芯線,含有較高量的鉻和鎳。這被用來產生低馬氏體起始(Ms)溫度。溫度消耗品編碼為LTT。這兩種商用焊絲分別是Corewld 89(高強度焊絲)和OKTubrod 14.11(中等強度焊絲)。

      表1給出了母材和填充材料的化學成分,表2中總結了熔敷金屬的機械性能。

      2 焊接裝置

      疲勞試驗用試樣由兩塊尺寸為500×200×15mm的板首次連接而成,如圖1所示。焊接順序如圖1a所示。對焊接組件進行切片和機加工,以生產出尺寸如圖1b所示的疲勞試樣。不同的焊趾命名為L1、L2、U1和U2,如圖1a所示。

      表二 典型的機械全焊縫金屬性能樣品image.png 

      圖1五道焊道的焊接順序。第一和第二焊接側的上焊趾(U1和U2)和下焊趾(L1和L2)也是插圖.bDesign以及T形疲勞試件的尺寸

      表三 焊接參數

      image.png 

      采用Ar+18%co2氣體保護氣體,采用氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)焊接。從兩側進行全熔透角焊縫,使用五個珠子。在傳統焊縫,OK Tubrod 14.11用于根焊道,高強度(Corewld 89)填充材料用于其他焊道,而在實驗焊縫中,所有焊道均使用LTT耗材進行焊接。焊接參數匯總見表3。

      3 焊縫處理

      3.1 高頻機械沖擊處理

      對LTT和常規焊縫進行高頻機械沖擊處理,頻率為20000±400hz。錘擊時使用的壓頭,其下焊趾(L1和L2)的半徑為1.5 mm,上部焊趾(U1和U2)的半徑為3 mm。振子的振幅為40μm。有關處理的詳細信息見[8]。

      3.2 噴丸

      LTT和常規焊縫的噴丸處理由瑞典Curtiss-Wright表面技術公司負責。本研究所用參數見表4

      表四 噴丸加工參數使用

      image.png 

      疲勞試驗和評估

      疲勞試驗采用250 kN MTS伺服液壓機,通過施加恒定振幅的全翻轉彎曲載荷進行。測試的頻率為3-7赫茲。表5給出了每種變體的測試樣本數

      圖2顯示了安裝在疲勞設備中的焊接樣品。采用有效缺口應力法(ENS)評定疲勞強度。假設線彈性行為,計算焊趾處的最大第一原理應力[20]。計算的詳細信息見[8]

      表五 樣品測試

      image.png 

      image.png 

      圖2安裝在夾具中的接頭試樣,并在完全反向彎曲載荷下進行疲勞試驗

      5 殘余應力與化學分析

      在所有變體的焊趾旁測量了沿焊接方向的縱向和橫向殘余應力。這些測量是在Stresstech X3000 X射線中使用X射線衍射進行的設備.Thesin2在鐵素體相的{211}面上使用了φ法,并且φ角在?40°和+40°之間變化,并且有±5°的振蕩(即每次掃描中總共測量了15個以上的角)。在距母材焊趾2 mm和4 mm處進行測量。使用尺寸為3 mm×1 mm的準直器,使3 mm側平行于焊趾熔合邊界。

      為了能夠計算LTT焊縫的馬氏體起始轉變溫度(Ms),采用能譜儀(EDS)對焊縫金屬進行了化學分析。

      結果

      1 疲勞試驗

      在所有焊縫中,疲勞起始和擴展都是從焊趾開始的。根據焊趾處的有效缺口應力,所有試樣的疲勞試驗結果如圖3所示

      他計算了特征疲勞強度(FAT)、200萬次循環的平均疲勞強度,曲線斜率[21]如表6所示。

      LTT和常規焊態試樣的疲勞強度最低,且或多或少相同水平.HFMI常規焊縫的處理得到了顯著的改善,從而提高了疲勞強度。HFMI處理的LTT焊縫的疲勞強度略低于HFMI處理的常規焊縫。然而,HFMI處理和焊接樣品的脂肪值均高于IIW FAT 225。

      毫無疑問,噴丸處理的焊縫疲勞強度顯著提高,與常規和LTT焊縫相比,采用HFMI處理。對于常規、LTT和HFMI處理的焊縫,最佳擬合線的傾斜度從2,5-3變為5-7,這意味著低應力下的疲勞壽命顯著延長。在最高應力下,疲勞壽命約小于50000次循環,所有樣品的壽命大致相同,而不考慮處理。

      image.png 

      圖3 T型接頭疲勞試驗結果??梢钥闯?,熱噴丸試樣在比其他試樣更高的應力下達到了最高的失效循環次數。有一個很小的差別,在LTT+噴丸樣品略優于傳統+噴丸樣品

      表六 特征疲勞力量,意味著疲勞強度在200萬周期,和S-N曲線斜率(m)

      image.png 

      2 殘余應力

      橫向(垂直于焊趾線)和縱向殘余表面應力(作為與第一焊接側下焊趾距離的函數)分別如圖4、圖5和圖6所示。噴丸處理的試樣的殘余壓應力比HFMI處理的焊縫強,盡管這些應力也主要是壓縮.HFMI在焊趾處出現的橫向和縱向壓縮殘余應力分別為?400 MPa和?800 MPa[19];但是,在距焊趾2 mm和4 mm處,焊態和氫火焰離子化處理樣品之間的殘余應力沒有顯著差異。應注意,殘余應力測量在距焊趾2 mm和4 mm處進行。

      3 焊趾幾何形狀

      焊趾半徑是影響疲勞性能的一個重要參數。測量了焊縫金屬和母材之間所有四種過渡的焊趾半徑。通常,在焊接狀態下,底板和焊縫連接處的焊趾半徑約為1.5 mm,在HFMI處理條件下約為1.7 mm。對于上部焊接金屬-基底金屬過渡,焊態條件下的焊趾半徑約為3 mm,HFMI處理樣品的焊趾半徑為3.5 mm。這是相同的,無論是使用傳統的還是長期的消費。此外,噴丸處理的樣品與傳統焊接樣品幾乎相同,即在較低焊趾半徑處約1.5 mm。圖6顯示了所有三種類型焊縫的過渡區域。

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      圖4橫向殘余應力與焊趾距離的函數關系。注意HFMI處理樣品中靠近焊趾的壓縮殘余應力

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      圖5縱向殘余應力與焊趾距離的函數關系。注意HFMI處理樣品中靠近焊趾的壓縮殘余應力

      image.png圖6焊趾半徑僅顯示焊接和HFMI處理樣品之間的微小差異。注意焊態樣品的較高標準偏差(σ)。噴丸試樣的焊趾半徑與焊態試樣基本相同

       

      討論

      本文比較了1300MPa屈服強度鋼焊縫采用不同改進工藝的效果。根據表6和圖3中的疲勞試驗結果,首先可以得出結論,使用LTT耗材焊接1300 MPa屈服強度鋼不會導致疲勞強度的任何增加。這是意料之外的,因為在使用LTT消耗品時,疲勞強度顯著增加。但是,應該記住,在使用LTT耗材焊接屈服強度高達1000 MPa的鋼材時,已經看到了這一點[3,22,23]。LTT電極的使用對焊趾周圍的殘余應力沒有任何影響[19]。相反,殘余應力水平與傳統的相同焊接。確實如此殘余應力與傳統材料相比,仍有相當低的殘余應力水平。這些影響還有待進一步研究。

      正如Harati等人所討論的那樣。[19] ,LTT焊縫的馬氏體起始溫度略高于1300 MPa鋼的馬氏體終軋溫度(見圖7)。

      Msand mf的公式如下[13,24]:

      image.png 

      因此,當LTT焊縫開始轉變為馬氏體時,母材主要是但不是全部,改變了。因此,一個較小的LTT效應可以預期,但LTT效應將完全消失意外的。如如圖7所示,常規焊縫相變開始時的溫度高于1300鋼,但相變溫度有很大程度的重疊。

      還推測了夾緊應力是否會影響疲勞壽命。然而,在詳細了解這些影響之前,還需要進行更多的調查。

       

      對于HFMI處理的樣品,常規和LTT耗材的疲勞壽命都有所提高。一般來說,改善焊趾幾何形狀和殘余應力修正的綜合作用可實現增加的效果。

      在低應力下,噴丸處理的樣品在所有三種變體中具有最高的疲勞壽命。在最高疲勞載荷下,噴丸試樣的疲勞強度略低于常規和LTT處理試樣的疲勞強度。然而,對于較長的疲勞壽命,噴丸處理樣品的疲勞強度明顯高于其他試驗樣品。噴丸試樣的m值也比其他試樣高很多。

      試樣的疲勞強度通常與幾何結構或疲勞裂紋萌生點處的殘余應力水平(或兩者的綜合效應)有關。在焊縫中,傳統上,疲勞裂紋始于焊趾處或非常接近焊趾處。然而,使用XRD技術,由于幾何形狀發生變化,無法精確測量焊趾處的殘余應力在那里。相反,在靠近熱影響區約2mm處測量。這里,噴丸樣品的殘余應力明顯低于HFMI處理的樣品(見圖5)。對于噴丸處理過的樣品,在距焊趾線4 mm的范圍內也發現了類似的值。這樣的壓應力可以保持在焊趾上,這至少在一定程度上解釋了噴丸試樣的較好疲勞性能。

      疲勞應力疲勞壽命曲線(其值)的傾斜度通常假定為3,至少對于焊接結構而言,盡管試驗值分散在該值附近,如本研究中所見。如果延遲疲勞裂紋的形核,如本研究所述,通過噴丸處理,m值可能會增加。然而,HFMI處理(主要改善母材-焊縫-金屬過渡的幾何形狀)也顯示出疲勞壽命的提高,然而,其m值與未處理樣品的m值大致相同。它們的增加值應與噴丸測量的壓縮雙重應力有關樣品。但是在HFMI處理后的試樣中,也發現了殘余壓應力。因此,對于噴丸處理在較低應力下獲得更好的疲勞壽命的原因,沒有簡單的解釋。

      最有可能的是,通過噴丸處理獲得改善的原因是試樣的表面受到影響,從而降低了開始疲勞裂紋的能力。噴丸強化處理可能造成了一個非常堅硬的表面,同時發現了較大的壓縮殘余應力。通常,噴丸表面會發現含有短裂紋狀缺陷,但這些缺陷似乎不容易增長。

      值得注意的是,本次調查獲得的結果僅與此處使用的樣本布局有關。在得出關于這些超高強度鋼不同改進技術的效果的一般結論之前,應研究幾種不同的試樣和不同的載荷情況。

      結論

      本文比較了在1300MPa屈服強度鋼中使用LTT消耗品、HFMI處理和噴丸處理對焊縫疲勞強度的影響。在全反向彎曲載荷作用下,對T形接頭試樣進行了疲勞試驗??梢缘贸鲆韵陆Y論:1. 噴丸處理使疲勞強度增加最多,其次是HFMI處理,而使用LTT填料獲得幾乎相似的疲勞強度。2. 噴丸處理比HFMI處理具有更高的壓縮殘余應力。3. 常規焊縫和LTT焊縫均表現出比IIW FAT 225更高的特征疲勞強度,無任何焊后處理。4. 對于使用LTT和傳統耗材生產的焊縫,觀察到了類似的殘余應力分布和幾乎相同的焊趾半徑。5. HFMI處理有效地提高了常規焊縫和LTT焊縫的疲勞強度。


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