[发明专利]焊趾TIG重熔后跟随激冷处理改善焊接接头疲劳强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术与工程领域，主要涉及低碳钢、低合金钢的焊接结构通过调整焊趾表面残余应力场来改善焊接接头疲劳强度的一种焊后处理方法。

背景技术

焊趾TIG重熔(熔修)工艺是国际焊接学会(IIW)推荐的一种改善焊接接头疲劳强度的焊后处理方法，该方法是以钨极氩弧为热源，将焊趾重新熔化，清除可能存在的咬边、显微夹渣等缺陷，同时形成过渡均匀的重熔区，使焊缝与母材之间实现圆滑过渡，减小应力集中，提高接头的疲劳强度。与其它提高焊接接头疲劳强度的工艺方法比较，TIG重熔技术具有工艺简单，使用方便，价格低廉、没有噪声等优点，因此在造船及海洋平台、铁道车辆、铁路桥梁、起重机、石油管线、化工容器等工业领域得到应用。

但是，利用TIG电弧将焊趾重新加热熔化、冷却凝固后，焊趾区仍呈现出高的残余拉伸应力状态，使得改善接头疲劳强度的效果大受限制，同时对接头疲劳强度改善的程度也存在着显著差别，疲劳试验数据离散性大，有时甚至存在降低接头疲劳强度的可能性。因此消除焊趾残余拉应力是解决上述问题的关键。传统消除残余应力的方法主要有振动时效处理(VRS)和整体焊接结构去应力退火处理。前者需要专用设备，且去除残余应力的效果十分有限；后者消除残余应力的效果较好，但整体退火处理耗能大、效率低。对于大型焊接结构，如桥梁、船体、海洋平台等，采用这两种方法进行整体处理在客观上也是不可能实现的。

发明内容

本发明的目的是：通过焊趾TIG重熔后跟随喷淋激冷处理来调整焊趾区残余应力场，使焊趾表面的残余拉应力转变为双向压应力状态，从而大大改善焊接接头的疲劳强度，提高焊接结构安全运行的可靠性及使用寿命。

本发明的技术方案是：在焊接接头(对接或角接)的焊趾区，用TIG电弧对焊趾进行加热熔化，当重熔区在空气下自然冷却、凝固并降到一定温度时，用水作为冷却介质对重熔层进行喷淋处理，使该区金属紧急收缩形成双向的压应力场。焊趾TIG重熔后跟随激冷处理改善焊接接头疲劳强度的方法的具体步骤是：

(1)处理前，先清除焊趾表面上的铁锈及飞溅物，必要时可用砂轮轻轻打磨清理；

(2)以TIG电弧为热源按照预先设定好的工艺参数沿着焊趾进行重熔，电弧轴线与铅垂线之间的夹角为0°～30°，且位于焊趾外侧0.5mm～1.5mm处；

(3)当焊趾TIG重熔区温度降低到临界温度以上100℃～200℃时，用水作为冷源对重熔区进行喷淋处理，冷源强度根据材质、板厚及激冷处理时TIG重熔区的温度调整；

(4)焊趾TIG重熔区激冷处理后，将焊件烘干以防生锈。

焊趾TIG重熔工艺参数为：钨极直径：φ3.2mm，喷嘴直径：φ12mm，保护气体为氩气，氩气流量为10～12L/min，电流为170～180A，电压为14～18V，速度为13～16cm/min，临界温度为450℃。

焊趾TIG重熔后跟随激冷处理调节残余应力场的原理为：焊态下，焊缝及其近缝区(包括焊趾)呈残余拉应力状态。用TIG电弧在焊趾处重熔处理，相当于不加填充金属的TIG焊接过程。在TIG电弧的加热过程中，焊趾重熔区加热熔化，形成液态金属熔池，其邻近区域的固态金属受热膨胀，热膨胀量受到周围较冷区域金属的约束作用，形成了不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，重熔区液态金属凝固收缩时受到周围固态金属的约束而形成残余拉应力，邻近重熔区并已发生压缩塑性变形的这部分固态金属也受到其周围金属在不同程度上的拉伸作用，最终形成残余拉应力。可见，焊趾通过TIG重熔后仍为双向残余拉应力场。

当焊趾TIG重熔区凝固后降低到某一温度时，用水作激冷源对焊趾重熔区表面进行喷淋处理，使呈拉应力状态的重熔区及邻近部位急速收缩。当收缩应力克服材料在此温度下的屈服极限时，重熔区产生拉伸塑性变形。如果重熔区温度超过某一临界值，则其拉伸塑性变形在全部抵消原来的压缩塑性变形量的同时，还剩余了拉伸塑性变形量。当焊趾重熔区冷却到室温时，此剩余的拉伸塑性变形受到周围金属的刚性挤压作用而形成双向的残余压应力场。

设焊趾TIG重熔区进行激冷处理的临界温度为Tcr，则

当T＜Tcr时，重熔区呈残余拉应力状态

当T＞Tcr时，重熔区呈残余压应力状态

当T＝Tcr时，重熔区呈无应力的临界状态

对于厚度14mm的Q345低合金结构钢焊接构件，焊趾TIG重熔区进行激冷处理的临界温度值Tcr为450℃。