焊接接头疲劳强度的研究及其技术工艺的改进

1、文章编号:1003-0794(2005 03-0070-04焊接接头疲劳强度的研究及其技术工艺的改进张文博, 徐开国, 张汝春(佳木斯煤矿机械有限公司, 黑龙江佳木斯154002摘要:通过对焊接结构件接头疲劳失效原因的研究分析及影响焊接结构疲劳强度因素的分析, 提出改善焊接接头疲劳强度的新技术和新工艺, 提高焊接结构的强度和性能, 降低因疲劳断裂造成的事故和损失。关键词:焊接接头; 疲劳强度; 研究; 改善; 技术工艺中图号:TG4051 前言焊接作为高效的连接组装工艺之一, 通常对一个产品的质量起着决定性的作用。研究和实践表明:焊接结构经常不断发生断裂事故, 其中90%为疲劳失效, 焊接接头

2、的疲劳破坏一般起裂于焊接接4 不重磨可转位机夹刀具特点不重磨可转位机夹刀具在液压缸体深孔加工中, 与焊接刀具相比有以下特点:(1 提高刀具耐用度不重磨可转位机夹刀片不经焊接、不需重磨, 完全避免了因焊接或重磨而产生的内应力、裂纹和高温氧化现象, 保持了刀片材料原有的切削性能, 在切削用量相同时, 可提高刀具耐用度5倍。(2 提高切削加工效率不重磨可转位机夹刀具在切削过程中, 当刀刃损坏或用钝时, 转换一个刀刃或更换一个刀片, 就可以重新投入切削。刀刃转位或刀片更换方便、迅速、准确, 且能够较好地保证定位精度。对于粗加工, 转刃、换刀后不需对刀, 对于精加工只需对新刃对刀一次即可, 缩短辅助加工

3、时间近2/3, 大大提高了切削加工效率。(3 保证切削精度不重磨可转位机夹刀具有合理的结构和几何参数, 不受操作者刃磨经验的限制。刀片表面有多层涂层材料, 具有良好的综合切削性能, 切削质量稳定、可靠。保证了缸体内孔加工精度, 粗加工合格品文献标识码:A头的焊趾部位, 如果能改善焊趾处疲劳裂纹的起裂性能, 将有效地提高焊接结构的疲劳强度。因此提高和改善焊接接头疲劳强度具有极大的潜在经济效益和社会效益。近年来, 疲劳方面的研究虽已取得了很大的成绩, 但焊接结构疲劳断裂事故仍不断发生, 率接近100%, 精加工合格品率高于99. 5%。(4 节省刀具材料便于刀具管理一把刀具的刀体可使用刀片50片以

4、上, 刀杆钢材的消耗仅为焊接刀1/25左右, 节省刀具材料, 降低综合成本。由于大大减少了刀杆量, 也减少刀杆的生产和库存, 便于刀具的管理。5 结语不重磨可转位机夹刀具在深孔钻镗床的使用, 显现出较焊接刀耐用度高、加工精度高, 切削质量稳定、切削效率高、合格品率高等特点。该类刀具不仅适用于数控机床和加工自动线, 同时也适用于普通机床的封闭式切削加工。对于目前普通加工设备比例较大的中小企业, 在某些传统切削加工中, 可以使用不重磨可转位机夹刀具来代替焊接刀具, 达到提高产品合格品率、增加经济效益的目的。作者简介:隋冬杰(1961- , 女, 辽宁丹东人, 工程师, 副教授, 1982年毕业于郑

5、州工学院机械系机械制造专业, 现在河南质量工程职业学院电教实验中心从事教学和科研工作, 曾十余年从事液压支架冷加工工装设计工作, 已发表论文多篇. E-mail:Luanlm-88126. com.收稿日期:2005-01-05Turning and Mechanism Fixed Cutter Is Used for Deep Hole BoreSU I Dong -jie, LI De -m ing(Henan Quality Engineerin g Vocation College, Pingdingshan 467000, ChinaAbstract:This paper intro

6、duces turning and mechanism fixed cutter not only is applied to numerical control of mac hine tool but also is applied to common machine tool, and cutting merit to replaces weld cutter by turning and mechanism fixed cutter , and cutting characteristic on deep hole bore processing.Key words:turning a

7、nd mechanism fixed cutter; weld cutter; deep hole bore processing; push bore and rolling而且新材料、新工艺的不断出现将产生许多疲劳强度的新问题。因此, 研究焊接结构的疲劳行为有重大的意义。2 焊接结构疲劳失效的原因分析从我国近几年的研究发现, 造成焊接接头疲劳断裂的原因主要有以下5方面:(1 客观上讲, 焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材, 而承受交变动载荷时, 其承受能力却远低于母材, 而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系, 这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素; (2

8、早期的焊接结构设计以静载强度设计为主, 没有考虑抗疲劳设计, 或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善, 造成焊接接头形式和结构不合理; (3 技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够, 所设计的焊接结构往往照搬其他金属结构的疲劳设计准则与结构形式; (4 盲目追求结构的低成本、轻量化, 导致焊接结构的设计载荷越来越大; (5 对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。3 影响焊接结构疲劳强度的主要因素影响焊接接头疲劳强度的因素主要有以下两大类:(1影响母材疲劳强度的因素(几何不连续性、表面状态、载荷及介质条件 。(2焊接结构自身的特点(近缝区组织的改变, 残余应力 。3. 1 静载强度对母材疲劳

9、强度的影响对于焊接结构来说, 焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系, 也就是说只要焊接接头的细节一样, 高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的, 具有同样的S N 曲线, 这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头形式。Maddox 的研究结果表明:材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响, 但影响并不大。3. 2 应力集中对疲劳强度的影响3. 2. 1 接头类型的影响影响焊接接头几何不连续性的因素, 都将影响应力集中和疲劳强度。(1 接头形式:对接、搭接、丁字和十字接头。在接头部位由于传力线受到干扰, 因而发生应力集中现象。(2

10、母材的厚度。大¹过渡角的影响。Yamaguchi 等人发现疲劳强度和基本金属与焊缝金属之间过渡角(外钝角 有很大关系。焊缝宽度W 和高度h 变化, 但h/W 比值保持不变, 疲劳强度也保持不变; 但如果W 保持不变, h 增加则接头疲劳强度降低。º焊缝过渡半径的影响。Sander 等人的研究结果表明焊缝过渡半径同样对接头疲劳强度具有重要影响, 即过渡半径增加(过渡角保持不变 , 疲劳强度增加。(2 角焊缝的形状对于接头的疲劳强度也有较大的影响当单个焊缝的计算厚度a 与板厚B 之比a/B <0. 60. 7时, 一般断裂于焊缝; 当a/B >0. 7时, 一般断于

11、基本金属。因此研究者提出了极限焊脚尺寸的概念:S =0. 85B (S 为焊脚尺寸 。可见纵使焊脚尺寸达到板厚时(15mm , 仍可得焊缝处的断裂结果。3. 2. 3 焊接缺陷的影响焊趾部位存在着大量不同类型的缺陷, 导致疲劳裂纹早期开裂, 使母材的疲劳强度急剧下降(下降到80% 。焊接缺陷大体上可分为两大类:面状缺陷(如裂纹等 和体积型缺陷(气孔、夹渣等 , 它们的影响程度是不同的, 同时焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位置有关。(1 裂纹 焊接中的裂纹, 如冷、热裂纹, 除伴有具有脆性的组织结构外, 是严重的应力集中源, 它可大幅度降低结构或接头的疲劳强度。早期的研究已表明

12、, 在宽60m m 、厚12. 7mm 的低碳钢对接接头试样中, 在焊缝中具有长25mm 、深5. 2mm 的裂纹时(它们约占试样横截面积的10% , 在交变载荷条件下, 其2106循环寿命的疲劳强度大约降低了55%65%。2 (4 母材与焊缝金属的过渡角。(5 焊接缺陷:裂纹、咬边、未焊透、未熔合、夹渣等。减小、避免接头的几何不连续, 降低应力集中, 有利于提高接头的疲劳强度。3. 2. 2 焊缝形状的影响无论是何种接头形式, 它们都是由2种焊缝连接的, 对接焊缝和角焊缝。焊缝形状不同, 其应力集中系数也不相同, 因而疲劳强度具有较大的分散性。(1 对接焊缝的形状对接头的疲劳强度影响最 有该

13、类缺陷的试验结果相比, 其疲劳强度可降低15%25%。(3气孔 气孔为体积缺陷, Harrison 对前人的有关试验结果进行了分析总结, 疲劳强度下降主要是由于气孔减少了截面积尺寸造成, 它们之间有一定的线性关系。但是一些研究表明, 当采用机加工方法加工试样表面, 使气孔处于表面上, 或刚好位于表面下方时, 气孔的不利影响加大, 它将作为应力集中源起作用而成为疲劳裂纹的起裂点。这说明气孔的位置比其尺寸对接头疲劳强度影响更大, 表面或表层下气孔具有最不利影响。(4 夹渣 IIW(国际焊接学会 的有关研究报告指明:作为体积型缺陷, 夹渣比气孔对接头疲劳强度影响要大。通过上述介绍可见焊接缺陷对接头疲

14、劳强度的影响, 不但与缺陷尺寸有关, 而且还决定于其他因素, 如表面缺陷比内部缺陷影响大, 与作用力方向垂直的面状缺陷的影响比其他方向的大; 位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区的大; 位于应力集中区的缺陷(如焊缝趾部裂纹 比在均匀应力场中同样缺陷影响大。3. 3 焊接残余应力对疲劳强度的影响焊接残余应力对接头疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特性有关, 循环特性值较低时, 影响比较大。由于结构焊缝中存有达到材料屈服点的残余应力, 因此在常规施加应力循环作用的接头中, 焊缝附近所承受的实际应力循环将是由材料的屈服点向下摆动, 而不管其原始作用的循环特征如何。例如标称应力循环为+S 1

15、-S 2, 则其应力范围应为S 1+S 2。但接头中的实际应力循环范围将是由S y (屈服点的应力幅 到S y -(S 1+S 2 。这一点在研究焊接接头疲劳强度时是非常重要的, 它导致了一些设计规范以应力范围代替了循环特征r 。此外, 在试验过程中, 试件的尺寸大小、加载方式、应力循环比、载荷谱也对疲劳强度有很大的影响。4 改善焊接结构疲劳强度的工艺方法目前, 国际上对焊接接头及结构疲劳性能的提高措施的研究非常重视。最近, IIW 又采用统一规格的试件对目前常用的各种提高焊接接头疲劳强度措施进行大量的实验。焊接接头疲劳裂纹一般起裂位置存在于焊根和焊趾2个部位, 如果焊根部位的疲劳裂纹起裂的危

16、险被抑制, 焊接接头的危险点则焊接接头疲劳强度的因素入手。4. 1 降低应力集中(设计措施和工艺措施(1 采用合理的构件结构形式, 减少应力集中, 以提高其疲劳强度, 避免焊缝的密集、交叉分布。(2 避免将焊缝布置在几何突变处或/高应力区0。(3 避免在刚性太大处施焊。(4 尽量采用应力集中系数小的焊接接头形式 对接接头, 保证焊接质量。(5 当采用角焊缝时需采用综合措施提高接头的疲劳强度。针对角焊缝处的几何不连续性, 如:在焊缝长度方向上的不连续; 焊缝截面(宽度 上的不连续与母材宽度方向的对应。采取相对应的措施:¹机械加工焊缝端部(使沿长度方向连续 ; º合理选择角接板

17、形状(使两母板的几何不连续性降低 ; »焊缝根部保证焊透。这样可减小角焊缝处的几何不连续和应力集中, 并消除、降低残余应力的不利影响。(6 通过开缓和槽, 使力线绕开焊缝的应力集中处来提高接头的疲劳强度。(7 用表面加工的方法(机械加工、电弧重熔焊道整形 , 减小其几何不连续程度, 可降低构件中的应力集中, 以提高疲劳强度(使表面光滑, 消除一些近表面缺陷 。4. 2 调整残余应力场造成焊接接头破坏的2种应力因素主要是:¹焊缝及近缝区的残余拉应力; º应力集中。消除应力集中处的残余拉力或使该处产生残余压应力均可提高接头的疲劳强度。主要方法如下:(1 整体处理。&#

18、185;整体退火:在r 较小, 循环应力较低时往往有利; º超载预拉伸:使焊缝/伸长0, 残余拉应力降低。(2 局部处理。¹局部加热。加热距焊缝一定距离的母材; º辗压焊缝; »局部爆炸:于焊缝及近缝处, 使焊缝及建缝区产生压应力, 从而提高接头的强度。4. 3 改善构件中焊接接头的表面性能(1 表面强化处理。锤击, 辗压, 喷丸等表面产生压应力; 材料局部强化, 提高疲劳强度。(2 加保护涂层改善材料的介质环境, 疲劳强度提高。4. 4 精心制造文章编号:1003-0794(2005 03-0073-03克林根贝格螺旋锥齿轮加工和调整姜志明(安徽理工大

19、学, 安徽淮南232001摘要:克林根贝格(Klingelnberg齿制的螺旋锥齿轮与目前使用最为广泛的格里森(Gleason 齿制的螺旋锥齿轮相比, 在加工原理、加工设备和工艺方法上均有较大的区别。结合实例分析介绍了其加工、调整以及夹具的设计方法。关键词:克林根贝格; 锥齿轮; 加工; 调整中图号:TH1321422; TG621 引言克林根贝格(Klingelnberg 齿制的螺旋锥齿轮是由原联邦德国克林根贝格公司推出的一种等高齿的螺旋锥齿轮, 目前在我国的工程、煤矿等机械中的应用越来越广泛。其与我国使用最多的美国格里森(Gleason齿制的螺旋锥齿轮相比, 在加工原理、加工设备和工艺方法

20、上均有较大的区别, 下面就结合实例介绍其加工、调整以及夹具的设计方法。2 锥齿轮加工和调整2. 1 加工工艺路线图1是某减速器中的克林根贝格齿制的螺旋锥齿轮副。大锥齿轮与轴采用大过盈无键联接, 材质均为20Cr2Ni4A, 齿面渗碳淬火, 齿面硬度HRC5862, 齿形参数为:z 1=15、z 2=28、m n =6。轴锥齿轮简化的加工工艺路线为:毛坯锻造y 精心制造, 尽量避免焊接缺陷, 减小应力集中、残余应力对构件疲劳强度的影响。5 结语综上所述, 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

21、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。文献标识码:B预先热处理y 粗加工y 半精车(齿部车至图样要求, 键槽处外圆和螺纹处外圆留切除渗碳层余量, 其余外圆留磨量 y 铣锥齿y 热处理渗碳y 半精车(切除键槽处外圆和端面的渗碳层, 外圆留磨量, 车螺纹至图样要求 y 铣键槽y 淬火、回火y 修磨两端中心孔y 磨外圆y 研齿。大锥齿轮简化的加工工艺路线为:毛坯锻造y 预先热处理y 粗加工y 半精车(<90M7孔及端面留磨量, 其余至图样要求 y 铣锥齿y 热处理渗碳、淬火

22、y 磨(用内孔端面磨床磨基准端面和内孔 y 平磨(磨另一端面 y 研齿。2. 2 加工和调整要点克林根贝格齿制的螺旋锥齿轮的加工原理与美国格里森齿制的螺旋锥齿轮的加工原理有很大的区别, 与瑞士奥利康齿制的螺旋锥齿轮相比虽均采用参考文献:1霍立兴, 王东坡, 王文先. 提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术J. 焊接学报, 2001, 22(5:37-40.2霍立兴. 焊接结构的断裂行为及评定M . 北京:机械工业出版社, 2000.3拉达伊. 焊接结构疲劳强度M. 北京:机械工业出版社, 1994.作者简介:张文博(1976- , 黑龙江集贤人, 佳木斯煤矿机械有限公司助理工程师, 1998年毕业于哈尔滨理工大学焊接设备及工艺专业, 专科, 现从事焊接工艺设计及研究. E-mail:zwb197