喷丸与HFMI处理或使用LTT耗材对1300mpa屈服强度钢焊接件疲劳强度的影响比较

喷丸与HFMI处理或使用LTT耗材对1300mpa屈服强度钢焊接件疲劳强度的影响比较

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

摘要：本文采用常规或低转变温度（LTT）型耗材，在1300MPa屈服强度钢中制备了T型接头试样。焊接样品要么经过高频机械冲击（HFMI）处理，要么进行喷丸处理。疲劳试验在完全反向、恒幅弯曲下进行装载。射击-喷丸使疲劳强度显著增加超过50000次循环。喷丸处理的LTT焊缝具有最高的疲劳强度，而喷丸处理的常规焊缝的疲劳强度稍低。常规焊缝和LTT焊缝的HFMI处理也提高了疲劳强度，但在较小程度上，使SN图中的斜率接近3，而喷丸试样的斜率为5-7。不同焊缝之间的残余压应力存在显著差异，喷丸处理的试样中的压应力最大。这可能是喷丸试样疲劳寿命提高的主要原因之一

关键词：疲劳力量、射门-喷丸、低变温焊接消耗品、高频率机械振动治疗、高-力量钢、残余强调

1. 介绍

由于对环境的要求越来越高，对轻型结构的需求也越来越大。使用比现在普遍使用的强度更高的钢制造更轻的部件[1]。制造大型构件的一种可能方法是先生产较小的截面，然后通过焊接连接。然而，疲劳载荷是构件寿命过程中的关键载荷事件，而焊接接头往往是疲劳的主要部位。这对于焊接高强度钢尤其有问题，因为焊缝的疲劳强度通常不被视为通过增加静强度而增加[2]。

疲劳改善方法通常被认为是克服这种静态疲劳特性的最佳方法。这可以通过修改焊趾几何形状或修改焊接引起的残余应力来实现。前者通过降低局部应力集中系数，确保焊缝轮廓和母材之间的平稳过渡。后者会导致残余拉伸应力的降低，甚至会产生压缩应力[1,3]。采用高频机械冲击（HFMI）处理可以降低拉伸应力。在这种处理中，熔敷强度的增加被认为是由于残余应力的改变、焊趾几何形状的改变以及处理区域局部硬度的增加[4-9]。

另一种降低拉应力的方法是使用LTT焊接材料。设计这些消耗品是为了在较低温度（通常在200°C左右）下奥氏体转变为马氏体而导致焊接金属体积膨胀，从而在熔合区产生减小或压缩的拉伸应力。十个sile应力的降低反过来导致疲劳强度的提高[10-16]。

另外一种方法是喷丸处理，这两种方法可能结合在一起。喷丸的冲击降低了拉伸残余应力，甚至可以在处理表面产生压缩残余应力[17,18]。还没有研究比较LTT填料、HFMI和喷丸处理对屈服强度大于1021 MPa的钢疲劳强度的影响。因此，本文研究了喷丸处理和HFMI对用LTT材料焊接或用常规材料焊接的1300mpa钢试件的疲劳性能的影响。作者在以前的论文中报告了LTT与常规焊缝疲劳长度的比较[19]

表1. 化学成分基材和填充材料(wt. %)。对于焊接金属，它是标称的全焊缝金属已知的合成

 

2. 材料和方法

2.1 基底和填充材料

采用厚度为15mm的Weldox 1300钢板作为母材。屈服强度和抗拉强度分别为1295mpa和1562mpa。

使用了三种填料，一种是试验性的，另一种是商业性的。实验设计的填充线是一种金属芯线，含有较高量的铬和镍。这被用来产生低马氏体起始（Ms）温度。温度消耗品编码为LTT。这两种商用焊丝分别是Corewld 89（高强度焊丝）和OKTubrod 14.11（中等强度焊丝）。

表1给出了母材和填充材料的化学成分，表2中总结了熔敷金属的机械性能。

2.2 焊接装置

疲劳试验用试样由两块尺寸为500×200×15mm的板首次连接而成，如图1所示。焊接顺序如图1a所示。对焊接组件进行切片和机加工，以生产出尺寸如图1b所示的疲劳试样。不同的焊趾命名为L1、L2、U1和U2，如图1a所示。

表2. 典型的机械全焊缝金属性能样品

 

图1. 五道焊道的焊接顺序。第一和第二焊接侧的上焊趾（U1和U2）和下焊趾（L1和L2）也是插图.bDesign以及T形疲劳试件的尺寸

表3. 焊接参数

 

采用Ar+18%co2气体保护气体，采用气体保护金属极电弧焊（GMAW）焊接。从两侧进行全熔透角焊缝，使用五个珠子。在传统焊缝，OK Tubrod 14.11用于根焊道，高强度（Corewld 89）填充材料用于其他焊道，而在实验焊缝中，所有焊道均使用LTT耗材进行焊接。焊接参数汇总见表3。

3. 焊缝处理

3.1 高频机械冲击处理

对LTT和常规焊缝进行高频机械冲击处理，频率为20000±400hz。锤击时使用的压头，其下焊趾（L1和L2）的半径为1.5 mm，上部焊趾（U1和U2）的半径为3 mm。振子的振幅为40μm。有关处理的详细信息见[8]。

3.2 喷丸

LTT和常规焊缝的喷丸处理由瑞典Curtiss-Wright表面技术公司负责。本研究所用参数见表4

表4. 喷丸加工参数使用

 

4. 疲劳试验和评估

疲劳试验采用250 kN MTS伺服液压机，通过施加恒定振幅的全翻转弯曲载荷进行。测试的频率为3-7赫兹。表5给出了每种变体的测试样本数。

图2显示了安装在疲劳设备中的焊接样品。采用有效缺口应力法（ENS）评定疲劳强度。假设线弹性行为，计算焊趾处的最大第一原理应力[20]。计算的详细信息见[8]

表5. 样品测试

 

 

图2. 安装在夹具中的接头试样，并在完全反向弯曲载荷下进行疲劳试验

5. 残余应力与化学分析

在所有变体的焊趾旁测量了沿焊接方向的纵向和横向残余应力。这些测量是在Stresstech X3000 X射线中使用X射线衍射进行的设备.Thesin2在铁素体相的{211}面上使用了φ法，并且φ角在−40°和+40°之间变化，并且有±5°的振荡（即每次扫描中总共测量了15个以上的角）。在距母材焊趾2 mm和4 mm处进行测量。使用尺寸为3 mm×1 mm的准直器，使3 mm侧平行于焊趾熔合边界。

为了能够计算LTT焊缝的马氏体起始转变温度（Ms），采用能谱仪（EDS）对焊缝金属进行了化学分析。

6. 结果

6.1 疲劳试验

在所有焊缝中，疲劳起始和扩展都是从焊趾开始的。根据焊趾处的有效缺口应力，所有试样的疲劳试验结果如图3所示

他计算了特征疲劳强度（FAT）、200万次循环的平均疲劳强度，曲线斜率[21]如表6所示。

LTT和常规焊态试样的疲劳强度最低，且或多或少相同水平.HFMI常规焊缝的处理得到了显著的改善，从而提高了疲劳强度。HFMI处理的LTT焊缝的疲劳强度略低于HFMI处理的常规焊缝。然而，HFMI处理和焊接样品的脂肪值均高于IIW FAT 225。

毫无疑问，喷丸处理的焊缝疲劳强度显著提高，与常规和LTT焊缝相比，采用HFMI处理。对于常规、LTT和HFMI处理的焊缝，最佳拟合线的倾斜度从2,5-3变为5-7，这意味着低应力下的疲劳寿命显著延长。在最高应力下，疲劳寿命约小于50000次循环，所有样品的寿命大致相同，而不考虑处理。

 

图3. T型接头疲劳试验结果。可以看出，热喷丸试样在比其他试样更高的应力下达到了最高的失效循环次数。有一个很小的差别，在LTT+喷丸样品略优于传统+喷丸样品

表6. 特征疲劳力量，意味着疲劳强度在200万周期，和S-N曲线斜率(m)

 

6.2 残余应力

横向（垂直于焊趾线）和纵向残余表面应力（作为与第一焊接侧下焊趾距离的函数）分别如图4、图5和图6所示。喷丸处理的试样的残余压应力比HFMI处理的焊缝强，尽管这些应力也主要是压缩.HFMI在焊趾处出现的横向和纵向压缩残余应力分别为−400 MPa和−800 MPa[19]；但是，在距焊趾2mm和4mm处，焊态和氢火焰离子化处理样品之间的残余应力没有显著差异。应注意，残余应力测量在距焊趾2mm和4mm处进行。

6.3 焊趾几何形状

焊趾半径是影响疲劳性能的一个重要参数。测量了焊缝金属和母材之间所有四种过渡的焊趾半径。通常，在焊接状态下，底板和焊缝连接处的焊趾半径约为1.5 mm，在HFMI处理条件下约为1.7 mm。对于上部焊接金属-基底金属过渡，焊态条件下的焊趾半径约为3 mm，HFMI处理样品的焊趾半径为3.5 mm。这是相同的，无论是使用传统的还是长期的消费。此外，喷丸处理的样品与传统焊接样品几乎相同，即在较低焊趾半径处约1.5 mm。图6显示了所有三种类型焊缝的过渡区域。

 

图4. 横向残余应力与焊趾距离的函数关系。注意HFMI处理样品中靠近焊趾的压缩残余应力

 

图5. 纵向残余应力与焊趾距离的函数关系。注意HFMI处理样品中靠近焊趾的压缩残余应力

图6. 焊趾半径仅显示焊接和HFMI处理样品之间的微小差异。注意焊态样品的较高标准偏差（σ）。喷丸试样的焊趾半径与焊态试样基本相同

 

7. 讨论

本文比较了1300MPa屈服强度钢焊缝采用不同改进工艺的效果。根据表6和图3中的疲劳试验结果，首先可以得出结论，使用LTT耗材焊接1300 MPa屈服强度钢不会导致疲劳强度的任何增加。这是意料之外的，因为在使用LTT消耗品时，疲劳强度显著增加。但是，应该记住，在使用LTT耗材焊接屈服强度高达1000 MPa的钢材时，已经看到了这一点[3,22,23]。LTT电极的使用对焊趾周围的残余应力没有任何影响[19]。相反，残余应力水平与传统的相同焊接。确实如此残余应力与传统材料相比，仍有相当低的残余应力水平。这些影响还有待进一步研究。

正如Harati等人所讨论的那样。[19] ，LTT焊缝的马氏体起始温度略高于1300 MPa钢的马氏体终轧温度（见图7）。

Msand mf的公式如下[13,24]：

 

因此，当LTT焊缝开始转变为马氏体时，母材主要是但不是全部，改变了。因此，一个较小的LTT效应可以预期，但LTT效应将完全消失意外的。如如图7所示，常规焊缝相变开始时的温度高于1300钢，但相变温度有很大程度的重叠。

还推测了夹紧应力是否会影响疲劳寿命。然而，在详细了解这些影响之前，还需要进行更多的调查。

对于HFMI处理的样品，常规和LTT耗材的疲劳寿命都有所提高。一般来说，改善焊趾几何形状和残余应力修正的综合作用可实现增加的效果。

在低应力下，喷丸处理的样品在所有三种变体中具有最高的疲劳寿命。在最高疲劳载荷下，喷丸试样的疲劳强度略低于常规和LTT处理试样的疲劳强度。然而，对于较长的疲劳寿命，喷丸处理样品的疲劳强度明显高于其他试验样品。喷丸试样的m值也比其他试样高很多。

试样的疲劳强度通常与几何结构或疲劳裂纹萌生点处的残余应力水平（或两者的综合效应）有关。在焊缝中，传统上，疲劳裂纹始于焊趾处或非常接近焊趾处。然而，使用XRD技术，由于几何形状发生变化，无法精确测量焊趾处的残余应力在那里。相反，在靠近热影响区约2mm处测量。这里，喷丸样品的残余应力明显低于HFMI处理的样品（见图5）。对于喷丸处理过的样品，在距焊趾线4 mm的范围内也发现了类似的值。这样的压应力可以保持在焊趾上，这至少在一定程度上解释了喷丸试样的较好疲劳性能。

疲劳应力疲劳寿命曲线（其值）的倾斜度通常假定为3，至少对于焊接结构而言，尽管试验值分散在该值附近，如本研究中所见。如果延迟疲劳裂纹的形核，如本研究所述，通过喷丸处理，m值可能会增加。然而，HFMI处理（主要改善母材-焊缝-金属过渡的几何形状）也显示出疲劳寿命的提高，然而，其m值与未处理样品的m值大致相同。它们的增加值应与喷丸测量的压缩双重应力有关样品。但是在HFMI处理后的试样中，也发现了残余压应力。因此，对于喷丸处理在较低应力下获得更好的疲劳寿命的原因，没有简单的解释。

最有可能的是，通过喷丸处理获得改善的原因是试样的表面受到影响，从而降低了开始疲劳裂纹的能力。喷丸强化处理可能造成了一个非常坚硬的表面，同时发现了较大的压缩残余应力。通常，喷丸表面会发现含有短裂纹状缺陷，但这些缺陷似乎不容易增长。

值得注意的是，本次调查获得的结果仅与此处使用的样本布局有关。在得出关于这些超高强度钢不同改进技术的效果的一般结论之前，应研究几种不同的试样和不同的载荷情况。

8. 结论

本文比较了在1300MPa屈服强度钢中使用LTT消耗品、HFMI处理和喷丸处理对焊缝疲劳强度的影响。在全反向弯曲载荷作用下，对T形接头试样进行了疲劳试验。可以得出以下结论：1. 喷丸处理使疲劳强度增加最多，其次是HFMI处理，而使用LTT填料获得几乎相似的疲劳强度。2. 喷丸处理比HFMI处理具有更高的压缩残余应力。3. 常规焊缝和LTT焊缝均表现出比IIW FAT 225更高的特征疲劳强度，无任何焊后处理。4. 对于使用LTT和传统耗材生产的焊缝，观察到了类似的残余应力分布和几乎相同的焊趾半径。5. HFMI处理有效地提高了常规焊缝和LTT焊缝的疲劳强度。

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