提高焊接接头疲劳寿命的超声锤击工艺草案

1、PAGE PAGE 11提高焊接接头疲劳寿命的超声锤击工艺规程（草案）1、概论众所周知，影响焊接钢桥耐久性（设计寿命）和安全性的最主要因素是焊接接头的疲劳问题，而各种焊接接头的疲劳性能（N曲线）相差甚远。其中， 垂直于受力方向的横向角焊缝焊趾处，由于不可避免的存有咬边等缺陷和几何形状突变，其疲劳性能很低。然而，焊接钢桥中又难以避免横向角焊缝这类构造细节，国内外焊接钢桥长期使用实践也表明，这类构造细节产生的疲劳裂纹事故非常多，严重影响桥梁运营的安全性和耐久性。如能提高这类细节局部的疲劳寿命，就可以大大提高桥梁整体的耐久性（疲劳寿命）。所以，长期以来，人们投入大量精力和财力，研究提高这类细节疲劳寿

2、命的方法，如合理的构造细节设计（缓和应力集中）、合理的焊接工艺（避免焊接缺陷），以及有效的焊后处理措施。对于后者，实际常用的方法有：砂轮打磨法、锤击法、TIG重熔法等，其中，锤击法是操作简便、附加成本低、效果最好的一种方法。其提高疲劳寿命的基本机理是：消除咬边缺陷、缓和焊趾几何形状突变引起的应力集中、表面冷作硬化延长疲劳裂纹萌生寿命，锤击产生的表面残余压应力与活载引起的拉应力迭加，大大降低了拉应力的峰值，如图1所示。图1以往，我国铁路和公路钢桥常采用铁道科学研究院研究的电锤锤击法处理受疲劳检算控制的局部角焊缝焊趾，取得了明显的效果和经济效益。其不足之处是反力大、振动大、锤坑连续性匀顺性不很理想

3、。近年来，欧美等国研究应用超声锤击法改善焊接接头的疲劳性能。其机理与电锤锤击法相同。但是，在锤击焊趾的同时，伴随着把超声波聚焦以高密度能量作用于锤击表面，因此，其效果要优于电锤锤击法，表1 是超声锤击和电锤锤击的特性比较。我国山东华云机电科技有限公司引进了这一成套技术，开发了超声锤击设备，已用于各种钢结构和铝合金结构改善疲劳性能，以及削减焊接残余应力峰值。为进一步扩大应用，特编制“超声锤击工艺规程”。表1 超声锤击和电锤锤击的特性比较特性超声锤击电动锤击作用原理锤击+聚焦高密度超声波锤击锤击频率约20000次/秒约500次/秒自重约4.0KG约5.0KG操作性操作性较好，噪声小，振动小操作性一

4、般，振动、噪声较大锤痕处理质量圆弧形凹坑连续性、匀顺性较好圆弧形凹坑连续性匀顺性一般改善疲劳性能的效果疲劳数据离散性小，5106次常幅疲劳极限=73.7MPa疲劳数据离散性一般，5106次常幅疲劳极限=73.7MPa注：焊接盖板端部角焊缝焊趾原焊态（未锤击处理）的5106次常幅疲劳极限d=36MPa。2、适用范围2.1适用范围(1) 适用于新建公路、铁路钢桥，包括组合结构桥梁，也适用于既有公路、铁路桥梁，或其它承受活荷载的钢结构，以利于延长其疲劳寿命。(2) 最佳应用效果部位横向角焊缝（垂直于受力方向）焊趾；纵向角焊缝终端焊趾（如节点板、纵肋、盖板或拼接板等）。(3) 一般应用部位横向对接焊缝

5、（未去焊缝余高）焊趾部位。2.2 超声锤击位置、范围及应力条件(1) 横向角焊缝焊趾部位，如图2所示。当26MPa时，需要进行锤击处理。 图2 图3(2) 加劲肋端部焊缝趾部位，如图3所示。当大于下表应力时，需要进行锤击处理。L(mm)(MPa) 505850 L 805280 10041(3) 节点板（或耳板）角焊缝趾部位 节点板，如图4所示。当30MPa时，需要进行锤击处理。图4 耳板，如图5所示。图5当大于下表应力时，需要锤击处理。t1 (mm)d (mm)(MPa)所有td 5058所有t50 d 8052所有t80 d 10046所有t100 12041t1 2020 t1 3012

6、0 20036t1 3030 t1 50200 30033t 1 50d 30030(4) 焊接盖板端焊缝趾部位，如图6所示。图6当大于下表应力时，需进行锤击处理。t1 t2(mm)t1 t2 (mm)(MPa)t1 20-4220 t1 30t1 203730 t1 5020 5030 5026(5) 横向对接焊缝（未磨去余高）焊趾部位，如图7所示。图7当大于下表应力时，需进行锤击处理(MPa)说 明当t 25mm时，= 66当t 25mm，= 66(25/t)0.2板对接拼焊后，再组焊成结构件当t 25mm时，= 58当t 25mm，= 60(25/t)0.2现场构件全断面对接焊46热轧工

7、字钢全断面对接焊(6) 钢管结构相贯线焊趾部位，如图8所示。当26MPa时，需要进行锤击处理。锤击部位为相贯线的前趾部位的焊趾处。图83、超声锤击工艺、要求及质量控制3.1 超声锤击步骤如下：焊缝经外观检查或无损检测合格，并清除熔渣、飞溅及其它污物后，方可进行超声锤击处理（焊缝外观质量标准见附录1）。用砂轮（选择合适的磨头）沿焊趾修磨成匀顺的直线或圆弧线，以利于操作中超声锤击头匀速连续运行。但不得损伤焊缝或母材。避免产生新的缺陷。用于既有桥梁时，需清除油漆，用低倍放大镜观察是否已产生裂纹。当裂纹表面长度小于10mm时，可用锤击法消除裂纹；当大于10mm时，须考虑其它加固措施。检查超声锤击设备的

8、完好性。初锤要求：使锤坑达到预定的深度，消除焊趾咬边。选择合适半径的锤头对焊趾进行连续锤击。对于等肢角焊缝，宜用R=4mm球形锤头或圆弧形扁锤头；对于不等肢角焊缝，宜用R=4mm球形锤头或圆弧形扁锤头；对于对接角焊缝，宜用R=5mm球形锤头或圆弧形扁锤头；二次锤击要求：扩大锤坑圆弧半径，并使锤坑连续、匀顺、光滑。选择合适半径的锤头沿焊趾进行连续锤击。对于等肢角焊缝，宜用R=6mm球形锤头或圆弧形扁锤头；对于不等肢角焊缝，宜用R=6mm8mm球形锤头或圆弧形扁锤头；对于对接角焊缝，宜用R=8mm10mm球形锤头或圆弧形扁锤头；检测锤坑深度，圆弧半径，匀顺型和连续性，以及锤击范围等。如未达到质量要

9、求，需进行第三次锤击。检测合格后，用砂纸或砂纸抛光机对锤坑进行处理，消除锤击冷作引起的飞刺，折痕等缺陷。施工人员应进行培训后方可操作。注意事项 锤头与母材成6070夹角； 锤头移动速度缓慢均匀，处理速度约300毫米/分钟； 处理后应认真填写质量检查记录（见附录3）。3.2 质量标准在超声锤击前砂轮修磨时，不得损伤焊缝和母材。锤坑范围应符合第2.2节要求。锤坑端部应由锤坑深处匀顺过渡至钢材（或焊缝）表面。不得锤裂母材或焊缝。锤坑深度原则上为d=0.50.15mm。当局部咬边深度1mm时，d锤坑圆弧半径应于第3.1（6）节的锤头半径相符合。，误差应在1mm。锤坑深度的连续性，每5mm高低差1mm。

10、锤坑底部不得有未清除的咬边痕迹。锤坑处不得有飞刺、折痕等。4、超声锤击设备及技术条件4.1 超声锤击设备的功能及技术要求（1）设备应配备多种针式（4、5、6、8、10mm）冲击头和扁头式冲击头（30182mm、30186mm、30188mm、301810mm）；（2）设备除具备基本的轴向直线输出外，必须具备超声波能量能旋转45度输出的功能，实现推动45度偏角的冲击头工作的多方向冲击功能，从而实现对全方位焊缝和狭窄处焊缝的处理。（3）设备工作状态应性能稳定，超声波能量输出应连续一致，不得使冲击力忽大忽小，造成冲击不均，甚至伤致母材。（4）超声换能器的额定功率必须不得小于1000W。（5）控制器必

11、须采用数字表头或液晶屏直接数字显示超声锤击设备工作状态的高频动态电流值，否则无法判断设备是否处于正常的动态跟踪工作状态。（6）设备连续工作时，换能器的温升不超过环境温度的25度，以保证设备输出的稳定性。（7）设备功率的输出为连续可调式，以适应处理不同材质的要求。（8）设备输出功率可由调节旋钮连续可调。（9）设备采用风冷方式对换能器冷却。4.2 超声锤击设备技术参数HY2050型超声锤击设备的技术参数如下：（1）工作频率（HZ）： 20000（2）最大输出振幅（m）： 50（3）处理焊趾的速度（mm/min）：约300（4）额定功率（W）： 1000（5）冲击枪重量： 4KG4.3 锤头锤头的规

12、格如下：(1) 针式冲击头：4、5、6、8、10mm，冲击针长度为30mm。(2) 扁头式冲击头：30182mm、30186mm、30188mm、301810mm。4.4 检测量具起草单位和起草人：山东华云机电科技有限公司 赵显华、辛聪民铁道科学研究院 史永吉、曾志斌附录1 焊缝外观质量标准缺陷类别判断标准咬边d主要构件：主应力垂直于焊缝，d0.3mm 主应力平行于焊缝，d0.5mm次要构件：d0.8mm裂纹不允许弧击、飞溅不允许焊瘤、折叠不允许焊波每25mm焊缝长度，焊波凹凸高差3mm对接焊缝余高hB15， h3， B焊缝宽（mm）15B25， h4， h余高（mm）25B， h4B/25附

13、录2原焊态、锤击、TIG重熔的疲劳性能的比较附图1资料出自铁道科学研究院疲劳试验资料，存活概率取97.7%，疲劳抗力分项安全系数取1.11.2。2106次疲劳细节等级、5106次常幅疲劳设计极限、108次截止限（门槛值应力）等参考BS-EN 1993-1-9：2005规范。附图1焊接盖板端部原焊态、TIG重熔与锤击N曲线的比较附录3 锤击质量检查记录桥 名构 件 编 号制造日期操作人/日期焊接接头及锤击位置（画草图描述）锤坑深度（测点间距1020mm）（草图）测 点深度（mm）圆弧半径（mm）12345678锤坑连续性、匀顺性是否用砂纸或抛光机消除飞刺、折痕等检查人/日期参考文献：（1）TB10212-98 铁路钢桥制造规范。（2）日本道路协会，道路桥式方书同解说，II钢桥编，第