主办单位:中国焊接协会 中国机械工程学会焊接学会
总    期:第88期 2004 第12期
发行份数:17430份(2004/6/30)
编    辑:晓  晔       瑷  珉  

 

 行业信息      网员介绍   专家视点

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敦煌国际焊接学术论坛
——暨第四届中国北方焊接学术会议

200582025日,中国·敦煌

 

敦煌国际焊接学术论坛(Dunhuang International Wdlding Forum)将于200482025日在中国文化艺术旅游胜地——甘肃省敦煌市举办。敦煌国际焊接学术论坛旨在加强国内与国际焊接界的学术交流与合作,促进我国先进材料焊接与连接技术、新型焊接材料、先进焊接设备及焊接自动化等的研究开发与推广应用,推动我国焊接技术创新与产业发展。

会议由中国机械工程学会焊接学会、日本焊接学会、兰州理工大学、甘肃省机械工程学会焊接学会联合主办,陕西省焊接学会、山西省焊接学会、河北省焊接学会、黑龙江省焊接学会、吉林省焊接学会、辽宁省焊接学会、北京市焊接学会、天津市焊接学会、内蒙古自治区焊接学会、宁夏回族自治区焊接学会、青海省焊接学会、新疆维吾尔族自治区焊接学会、天津大学材料学院、中国兵工学会焊接学会、哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室、中国焊接学会金属焊接性及焊接材料专业委员会、中国焊接学会焊接力学及结构设计制造专业委员会协办,兰州理工大学、甘肃省机械工程学会焊接分会承办。本次会议将邀请日本、韩国、美国等国内外著名专家、学者参加并作学术报告。同时,中国兵工学会焊接学会会议、中国焊接学会金属焊接性及焊接材料专业委员会会议、中国焊接学会焊接力学及结构设计制造专业委员会会议届时将与本次会议联合举办。


河南省焊接学会七届二次理事会暨学术交流会纪要

 

    河南省焊接学会七届二次理事会暨学术交流会,在河南省各级领导的重视和有关单位的大力支持下,于2004323日至26日在解放军(郑州)信息工程学院招待所顺利召开。参加会议的正式代表(包括第七届理事、省专家组成员及论文作者)84人,加上参加交流的人员及企业代表100余人。会议期间,发表论文34篇,专题报告钎焊的现状及发展综合报告一篇。省机械工程学会副理事长王尚均、原秘书长杜励勤到会祝贺,并发表讲话,王定珠秘书代表省机械工程学会讲话。这次大会能够顺利成功召开,与各级领导的关怀,各有关单位的支持,各地市焊接分会及省焊接学会全体委员的热情参与积极支持分不开的,为鼓励大家继续作好学会工作,省学会七届理事会研究决定对一些分会、单位及个人提出表扬。

25号下午召开了七届二次理事会。在会上各地市分会汇报了2003年的工作情况及2004年的工作计划。讨论了24号王文翰作的省学会的工作报告,理事会肯定了省学会的工作,认为省学会在极为困难的条件下,大家团结一致,共同积极工作,取得了不少成绩,圆满完成了 2003年的工作计划。委员们对七届理事会的工作是满意的。

 

( 河南省焊接学会)


国际焊接学会工作组一览表

工作组

名称

主席

国家

C-I

软钎焊、硬钎焊、热切割及火焰加工

Dr.Heikinheimo L.

芬兰

C-II

电弧焊与填充金属

Mr.Van der Mee V.

荷兰

C-III

电阻焊、固态焊及相关连接方法

Dr.Matsuyama K.

 

日本

C-IV

高能束加工方法

Prof.Matsunawa A.

日本

C-V

焊接产品的质量控制和质量保证

Dr.Dobmann G.

 

德国

C-VI

术语

Mr.Ripegather D.

德国

C-VII

(已解散)

 

 

C-VIII

健康与安全

Dr.McMillan G.

英国

C-IX

金属焊接行为

Prof.de Meester B.

比利时

C-X

焊接接头的结构性能——防止破断

Kr.Kocak M.

德国

C-XI

压力容器、锅炉、管道

Dr.Prager M.

美国

C-XII

电弧焊工艺及生产系统

Prof. Lucas W.

英国

C-XIII

焊件及结构疲劳

Dr. Maddox S.

英国

C-XIV

教育与培训

Mr. Bonneau R.

加拿大

C-XV

焊接结构设计、分析与制造

Prof. Hobbacher A.

德国

C-XVI

聚合物连接与粘结技术

Dr. Wu C.-Y

美国

IAB/A

教育 培训与认证

Mr.Ahrens C.

德国

IAB/B

实施与授权

Mr. Guild J.

南非

SC-AIR

航天工程中新材料及涂层的永久接头

Mr. Mustalski T.

美国

SC-AUTO

汽车与路面运输

Mr. Larsson J.

瑞典

SC-ENV

环境

Dr. Scasso M.

意大利

SC-QUAL

焊接及相关工艺的质量管理

Prof.Dr.-Ing.

Kosternamm H.

德国

SC-STAND

标准化

Dr.Shackleton D.

英国

SC-UW

水下焊

Prof. Richardson I.

荷兰

SG-212

焊接物理学

Prof. Halmoy E.

挪威

SG-RES

焊接研究战略与合作

Dr.Quintino L.

葡萄牙

 

 

 


成都华远电器设备有限公司


地址:成都市武侯大道铁佛工业区 邮编:610043  电话:028-85012443、85011951、85013964  传真:028-85033444
    网址:www.hwayuan.com    电子邮件:hwayuan@mail.sc.cninfo.net

 
    成都华远电器设备有限公司成立于1993年5月,坐落在成都市武侯区,专业从事各类电弧焊机的研发、生产及销售。公司占地面积一万余平方米。现有员工150余人,其中工程技术人员约占30%。公司拥有完备的生产和品质控制设备,有4条电弧焊机生产线,年产达到电弧焊机8千台套,现已成为中国中西部地区最大的电弧焊机生产基地。 

    产品通过中国质量认证中心“CCC”认证、通过ISO9001国际质量体系认证。中国电焊机标准“GB15579”起草单位。产品出口越南、缅甸、巴基斯坦等东南亚国家和地区。

公司主导产品 
    RSN-1200、1600、2500电弧螺柱焊机(最新产品) ★技术:来源于德国,科技:与世界同步★ 
    MZ-630、1000、1250自动埋弧焊机
    NB-180、200、300抽头式气体保护焊机
    NB-350、500、630KD可控硅整流气体保护、手工焊、碳弧气刨多用途焊机
    NB-350、500K可控硅整流气体保护焊机
    ZX7-315、400、500、630IGBT逆变手工电弧焊机
    ZX5-400、500、630可控硅整流电弧焊机
    WS-315、400、500IGBT手工焊/氩弧焊两用焊机
    WSM-315、400脉冲氩弧焊/手工焊两用焊机
    ZD5-1000、1250埋弧焊、碳弧气刨、手工焊多用途焊接电源


提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术(

天津大学材料科学与工程学院   霍立兴  王东坡  王文先

3 改善焊接结构疲劳强度的工艺方法

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。这些改进方法可以分为两大类,如表1所示。

焊接过程优化方法不仅是针对提高焊接结构疲劳强度而考虑,同时对焊接结构的静载强度、焊接接头的冶金性能等各方面都有极大的益处,这方面的资料很多在此不多赘述。

 

1 焊接结构疲劳强度的改善方法

焊接过程优化

局部几何形状

质量控制

焊接缺欠的控制

1

几何形状的改善

2

工艺过程

焊接顺序

3

残余应力(<0

焊趾冶金处理

4

焊道造型

焊趾几何形状

5

冶金和金属状态

6

焊缝的改善

局部几何形状

机械加工

焊趾研磨

7

水冲击

8

局部重熔

TIG熔修

9

等离子熔修

10

残余应力

应力释放方法

热处理

11

力学处理

12

局部加热

13

力学方法

力学接触

喷丸

14

锤击

15

超声冲击

16

焊接

冲压

17

局部压缩

18

    下面从工艺方法角度考虑分三部分详细论述改善焊接接头疲劳强度的主要方法。

3.1  改善焊趾几何形状降低应力集中的方法

3.1 .1 TIG熔修

    国内外的研究均表明,TIG熔修可大幅度提高焊接接头的疲劳强度,这种方法是用钨极氩弧焊方法在焊接接头的过渡部位重熔一次,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。

熔修工艺要求焊枪一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm处,并要保持重熔部位洁净,如果事先配以轻微打磨效果更佳。重要的是重熔中发生熄弧时,如何处理重新起弧的方法,因为这势必影响重熔焊道的质量,一般推荐重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm处,最近国际焊接学会组织欧洲一些国家和日本的一些焊接研究所,采用统一由英国焊接研究所制备的试样进行了—些改善接头疲劳强度方法有效性的统一性研究,证实经该方法处理后该接头的2×106循环下的标称疲劳强度提高58%,如果将得到的211MPa的疲劳强度标称值换算成相应的特征值(K指标) 144MPa。它己高出国际焊学会的接头细节疲劳强度中的最高的FAT值。

3.1 .2 机械加工

    若对焊缝表面进行机械加工,应力集中程度将大大减少,对接接头的疲劳强度也相应提高,当焊缝不存在缺陷时,接头的疲劳强度可高于基本金属的疲劳强度。但是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,才适宜于采用这种加工。而带有严重缺陷和不用底焊的焊缝,其缺陷处或焊缝根部应力集中要比焊缝表面的应力集中严重的多,所以在这种情况下焊缝表面的机械加工是毫无意义的。如果存有未焊透缺陷,因为疲劳裂纹将不在余高和焊趾处起始裂,而是转移到焊缝根部未焊透处。在有未焊透缺陷存在的情况下,机加工反而往往会降低接头疲劳强度。

    有时不用对整体焊缝金属进行机加工,而只需对焊趾处采用机械加工磨削处理,这种做法亦能大幅度提高接头疲劳强度。研究表明,在这种情况下,起裂点不是在焊趾处,而是转移到焊缝缺陷部位。

前苏联Makorov对高强钢(抗拉强度σb=1080 MPa)横向对接焊缝的交变载荷的疲劳强度试验表明,在焊态条件下2×106循环次数时疲劳强度为±150MPa,如果对焊缝进行机械加工处理,除去余高,则疲劳强度提高到±275MPa,这已与基本金属的疲劳强度相当。但如果对焊趾处进行局部磨削加工,其疲劳强度为±245MPa,它是机加工效果的83%,与焊态相比,疲劳强度提高65%,当然不论是采用机加工方法,还是磨削方法,如果不能仔细按要求进行,以便保证加工效果,疲劳强度的提高是有限的。

3.1 .3  砂轮打磨

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。国际焊接学会推荐采用高速电力或水力驱动的砂轮,转速为(15000~40000)r/min,砂轮由碳-钨材料制作,其直径应保证打磨深度半径应等于或大于1/4板厚。国际焊接学会最近的研究表明,试样经打磨后,其2×106循环下的标称疲劳强度提高45%,如果将得到的199MPa疲劳强度标称值换算成相应的特征值(135MPa)它也高于国际焊接学会的接头细节疲劳强度中的最高的FAT值。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。

3.1 .4  特种焊条方法

    本方法是研制了一种新型的焊条,它的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。与TIG熔修的缺点相类似,它对焊接位置具有较强的选择性,特别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。

3.2调整残余应力场产生压缩应力的方法

3.2.1 预过载法

    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,载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。研究结果表明,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。

3.2.  局部加热

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。这种方法目前限用于纵向非连续焊缝,或具有纵向加筋板的接头。

对于单面角接板,加热位置一般距焊缝约为板宽的1/3,对于双面角接板情况加热位置为板件中心。这样可以保证在焊缝内产生压缩应力,从而可以提高接头的疲劳强度。不同研究者应用该方法得到的效果有所不同,对单面角接板,提高疲劳强度145%-150%,对双面角接板,提高疲劳强度70%-187%,。

局部加热位置对接头的疲劳强度有重要的影响,当点状加热是在焊缝端部处两则进行时,则在焊缝端部的缺口处引起了压缩残余应力,结果疲劳强度提高53%;但是当点状加热是在焊缝端部试样中心进行时,距焊缝端部距离是相同的,这虽然产生了同样的金相组织影响,但由于残余应力为拉伸残余应力,则所测量到的接头疲劳强度与非处理试样相同。

3.2.3 挤压法

局部挤压机制与点状加热方法相同,即均是靠压缩残余应力提高接头疲劳强度。但是其作用点是不同的,挤压位置应位于需要产生残余压缩应力的位置。高强钢试样采用挤压法其效果比低碳钢更为显著。

3.2.4   Gurnnert's方法 

    由于有时难以准确地确定局部加热法的加热位置和加热温度,为了获得满意效果,Gunnert提出一种方法,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℃的温度或550℃,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。藉此压缩应力即可提高构件的疲劳强度。需要注意的是:为了使底层亦达到加热目的,加热过程要缓慢些,Gunnert建议加热时间为3min,而Harrison建议加热时间为5min

Ohta采用此方法成功的防止了对接管道内部产生疲劳裂纹。具体方法是管道外部采用感应法加热,里面用循环水冷却。因此在管道内部产生了压缩应力,因而有效地防止了疲劳裂纹在管道内部产生。处理后对接焊缝管道的疲劳裂纹扩展速率大为降低,达到与母材相同的裂纹扩展速率。

33 降低应力集中和产生压缩应力兼二有之的方法

33 .1  锤击法

    锤击法是冷加工方法,其作用是在接头焊趾处表面造成压缩应力。因此,本方法的有效性与在焊趾表面产生的塑性变形有关;同时锤击还可以减少存在的缺口尖锐度,因而减少了应力集中,这也是大幅度提高接头疲劳强度的原因。国际焊接学会推荐的气锤压力应为5~6Pa。锤头顶部应为8~12mm直径的实体材料,推荐采用4次冲击以保证锤击深度达0.6mm。国际焊接学会最近的工作表明,对于非承载T形接头,锤击后其2×106循环下接头疲劳强度提高54%

33 .2  喷丸

喷丸是锤击的另一种形式,也属冲击加工的方法。喷九的效果依赖于喷丸直径尺寸,喷丸尺寸不应过大,以使其能处理微小的缺陷。同时,喷丸尺寸亦不应过小,以保证一定的冷作硬化性能,喷丸一般可在表面上的千分之几毫米的深度上发生作用。研究结果表明,喷丸能显著地提高高强钢接头的疲劳强度,喷丸对氩弧焊高强钢材料具有突出的效果,其程度甚至高于TIG熔修。同时TIG熔修配以喷丸锤击,则其效果更为显著。

4 提高焊接接头疲劳强度的最新技术

4.1 超声冲击处理方法

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,其机理与锤击和喷丸基本一致.但这种方法执行机构轻巧,可控性好,使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少,成本低而且节能,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。

4.2 低相变点焊条方法

4.2.1 提高焊接接头疲劳强度原理和发展

压缩应力可以提高焊接接头的疲劳强度,已有大量的文献论述,然而问题是如何在焊接接头中较方便的引入压缩应力。

2    超声冲击处理前后的疲劳强度对比

材料与接头形式

疲劳强度 Ds / MPa

提高程度 (%)

焊态

冲击处理态

Q235B (R=0.1)-对接

 

152

230

51

SS800(R=0.05) -对接

306

101

16Mn (R=0.1) -对接

285

88

Q235B (R=0.1)-纵向角接

 

104

200

92

SS800(R=0.05) -纵向角接

279

168

16Mn (R=0.1) -纵向角接

212

104

众所周知,由于化学成分、合金含量和冷却速度不同,钢铁材料在冷却过程中会发生不同的组织转变或多次的组织转变,这一组织转变伴随有体积膨胀,在拘束条件下将会产生相变应力,属于压缩应力。对于焊缝金属来说,这将有利于残余拉伸应力的降低甚至出现残余压缩应力,从而改善焊接接头的力学性能。低相变点焊条(Low Transformation Temperature Welding Electrode, LTTE)就是一种利用相变应力在焊接接头中产生压缩应力提高焊接接头疲劳强度的新型焊接材料。

早在60年代,前苏联焊接专家就提出了低相变点焊条方法能够提高焊接结构的疲劳强度,但是当时并没有提出“低相变点焊条”的概念,只称其为一种特殊焊条其堆焊金属成分主要依靠3%-4%Mn含量来降低相变点,实现冶金相变。文献指出,选用这些特殊的焊条,对小试件进行疲劳试验时,用这些焊条堆焊之后的疲劳强度要高于未堆焊试验75%

    近几年,依靠CrNi降低焊接材料熔敷金属的马氏体相变点,并由于超低碳钢材的发展,低相变点焊条得到了快速的发展,日本和中国在这方面进行了大量的研究,但目前仍然在实验室阶段。

4.2.2 LTTE焊条改善疲劳强度的效果

天津大学材料学院设计和优化研制了低相变点焊条,并在各种焊接接头上进行了大量的疲劳试验和工艺性能试验。

1LTTE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,相变点焊条LTTE接头的疲劳强度分别比普通焊条E5015接疲劳强度提高11%23%42%46%59%,疲劳寿命提高幅度从几倍到上百倍。

3 不同类型焊接接头疲劳强度的改善效果

焊条类型

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

纵向对接接头

E5015焊条

176.9

202.1

167.0

182.7

179.4

LTTE焊条

157.8

164.8

118.3

124.9

113.0

改善程度

11%

23%

41%

47%

58%

应力集

中程度

轻度K1

中等K2

强烈K3

特别强烈K4

特别强烈K4

拘束度

          

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。

2)低相变点焊条焊趾熔修(LTTE-dressing)方法

    然而,为使焊缝金属在正常的冷却速度下和在较低的温度下发生马氏体相变,焊接材料中加入了较多的合金元素,从而使得低相变点焊接材料的成本提高许多。如果一个焊接结构的全部焊缝都采用低相变焊接材料进行施焊,焊接结构的成本也将大幅度增加,这是很不经济的。

众所周知,焊接接头疲劳断裂主要从焊趾部位开裂,如果使焊接接头的焊趾部位产生残余压缩应力,则可以提高焊接接头的疲劳强度,而并不需要全部采用低相变点焊条,这样可以降低使用成本。从这一思路考虑,天津大学在试验的基础上提出了低相变点焊条焊趾熔修(LTTE-dressing)提高焊接接头疲劳强度的方法。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(LTTE-dressing)和普通焊条焊接接头的疲劳强度,前者的疲劳强度分别比后者提高19.9%41.7%,证明了这一思路的可行性和实用性,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(LTTE-dressing)接头也可以反映低相变点焊条在盖面焊缝和近焊趾盖面焊道的应用情况。

 4.2.3 低相变点焊条的的优缺点

优点:

(1)低相变点焊条焊接方法是随同焊接过程同时进行,避免了焊后加工处理的不方便;

(2)低相变点焊条方法无需特殊的操作要求,因而操作简单方便;

(3)低相变点焊接材料用于提高焊接接头疲劳强度,由于不受后续焊道热作用的影响,它更适合于隐蔽焊缝、被覆盖焊缝、单面焊的背面焊缝等不能进行焊后加工处理的焊缝的疲劳强度提高;

4LTTE焊条还可以用于焊接结构疲劳裂纹的修复。

    缺点:焊接材料中加入了较多的合金元素,从而使得低相变点焊接材料的成本提高。但可以通过LTTE-dressing等方法加以弥补。

5 结束语

    综上所述,可见近年来由于焊接结构有往高速重载方向发展的趋势,对其承受动载能力的要求越来越高,因此发展及推广应用改善焊接接头疲劳性能的新技术对推动焊接结构的应用意义重大。相对而言,国内外最新发展起来的超声冲击技术以及使用低相变点焊接材料来提高焊接接头疲劳强度的方法是焊接结构疲劳性能改善技术与工艺的重要研究方向。  
*霍立兴,焊接学会焊接力学及结构设计与制造专业委员会主任,天津大学教授

(完)

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