改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法制造技术

本发明专利技术公开了一种本发明专利技术的改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤：ａ．将试样焊缝处进行吹砂处理；ｂ．在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ｎｉ／ＡＬ、Ｎｉ／Ｃｒ或ＭｃｒＡＬＹ，Ｍ为过渡金属Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ或ＮｉＣｏ，底层厚度为０．０３～０．０７ｍｍ；ｃ．将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为０．８～１．２ｍｍ。本发明专利技术通过在接头焊趾处等离子喷涂低弹性模量涂层的方法改善焊接结构的疲劳性能，接头焊趾处等离子喷涂层可改善截面形状变化，降低该处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度；（二）与焊态试件相比，本发明专利技术的等离子喷涂试件的疲劳强度提高２５．９％，火焰喷涂试件仅提高９．７％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属材料焊接接头的后处理方法，特别是一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法。
技术介绍
焊接接头承受静载的能力一般不低于母材，但承受交变载荷的能力与母材相去甚远，因此，导致一些焊接结构接头部位过早地引发疲劳裂纹而失效。焊接结构疲劳强度偏低的主要原因有焊缝金属导致截面突变；局部加热和不均匀冷却引起的残余应力和变形；焊趾区的焊接缺陷如咬边和夹渣等。对于具体的焊接结构，可以在焊后采取一些工艺措施，以提高其疲劳强度，如焊趾处局部打磨、喷丸、TIG焊重熔、局部加热以及低相变点焊条和超声波冲击处理等，其目的是降低应力集中、消除切口或在构件表层引进压缩残余应力，但是效果并不十分理想。1970年Whitman和Webber提出了一种改善焊接结构疲劳性能的方法，即在焊缝焊趾处沉积低弹性模量薄层。Chadwick的试验结果表明焊趾薄层可使焊接接头的疲劳强度明显提高。
技术实现思路
本专利技术的所要解决的技术问题是，提供一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，该方法能够降低焊接接头处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度。本专利技术通过在接头焊趾处等离子喷涂低弹性模量涂层的方法改善焊接结构的疲劳性能，接头焊趾处等离子喷涂层可改善截面形状变化，降低该处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度。为解决上述技术问题是，本专利技术的改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤a.将试样焊缝处进行吹砂处理；b.在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ni/AL、Ni/Cr或McrALY，M为过渡金属Fe、Ni、Co或NiCo，底层厚度为0.03～0.07mm；c.将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为0.8～1.2mm。所述步骤c中的涂层厚度为0.9mm。所述步骤c中的粉末可以是自粘结一次粉。所述步骤c中的粉末可以是复合粉。所述步骤c中的粉末可以是合金粉。所述步骤c中的粉末也可以是纯金属粉。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果(一)本专利技术通过在接头焊趾处等离子喷涂低弹性模量涂层的方法改善焊接结构的疲劳性能，接头焊趾处等离子喷涂层可改善截面形状变化，降低该处的应力集中，提高焊接结构的疲劳强度；(二)与焊态试件相比，本专利技术的等离子喷涂试件的疲劳强度提高25.9％，火焰喷涂试件仅提高9.7％；(三)本专利技术的等离子喷涂试件的疲劳寿命是焊态试件的1.58～9.62倍，火焰喷涂试件的疲劳寿命是焊态的1.55～1.97倍；(四)本专利技术的等离子喷涂处理对焊接结构疲劳性能的改善效果优于火焰喷涂；(五)本专利技术的等离子喷涂法是改善焊接结构疲劳性能的有效方法，等离子喷涂后的1Cr18Ni9Ti接头疲劳性能明显改善；(六)有限元分析表明焊态试样焊趾处的理论应力集中系数为2.75，喷涂后焊趾处的应力集中系数显著降低。附图说明图1为非承载十字接头图；图2为计算采用的涂层形貌模拟喷涂层图；图3为焊趾处接头网格尺寸图；图4为疲劳试件的断裂位置；图5为焊态与喷涂处理试件的拟合S-N曲线图6为焊趾区σx分布图；图7为涂层与基体界面处σy分布图；图8为涂层局部剥离后的应力分布(σx)图；图9为弹性模量对焊趾处应力的影响图；图10为涂层厚度对焊趾处应力的影响；图11为纵向角焊缝接头图；图12为纵向角焊缝接头S-N曲线。具体实施例方式以下结合实施例对本专利技术作详细说明。非承载十字接头的焊接如图1所示，试样材料为1Cr18Ni9Ti板材，厚度8mm。板材的力学性能见表1。疲劳试件采用手工氩弧焊，不开坡口。焊前把钢板切成190×70和70×25的板条。为了防止和减小焊接角变形，先在侧面进行定位焊，校直后用手工氩弧焊交叉焊接四道焊缝。焊接时从试样的一端起弧到另一端熄弧，确保在焊后铣加工过程中能去掉起弧和熄弧区。焊脚4～5mm，焊接电流148A，焊接电压18V，焊丝为00Cr18Ni9。试样焊接完成后再铣加工试验段尺寸。最后将试件试验段与夹持段的圆弧过渡处打磨光滑，防止从该处断裂。表1 1Cr18Ni9Ti的力学性能 本专利技术钢材或铝材的焊接方法实施例一本专利技术的钢材或铝材的焊接方法采用现有技术。本专利技术的改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤a.喷涂前将试样焊缝处进行吹砂处理。b.在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ni/AL、Ni/Cr或McrALY，M为过渡金属Fe、Ni、Co或NiCo，底层厚度为0.03～0.07mm；最好采用镍包铝底层，打底层厚度最好为0.05mm。c.将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为0.8～1.2mm；等离子喷涂粉末最好采用镍包铝和低碳钢粉。等离子喷涂低碳钢粉时采用枪外送粉，工作气体为Ar+H2，送粉气为氩气，喷涂电压85V，喷涂电流480A，涂层厚度最好为0.9mm。为了对比，取一组试样进行火焰喷涂。本专利技术钢材或铝材的焊接方法实施例二与实施例一的不同之处仅在于，采用自粘结一次粉作为等离子喷涂粉末。本专利技术钢材或铝材的焊接方法实施例三与实施例一的不同之处仅在于，采用复合粉作为等离子喷涂粉末。本专利技术钢材或铝材的焊接方法实施例四与实施例一的不同之处仅在于，采用合金粉作为等离子喷涂粉末。本专利技术钢材或铝材的焊接方法实施例五与实施例一的不同之处仅在于，采用纯金属粉作为等离子喷涂粉末。疲劳试验方法试验在100KN高频疲劳试验机上进行，试验机的静载精度满量程为±0.2％，动载振幅波动度满量程为±2％。施加载荷情况为所有疲劳试验均在恒幅载荷下进行，载荷类型为拉伸载荷，应力比R＝0。应力计算计算时取非承载横向角焊缝试样，焊缝的焊趾角为45度，不开坡口，焊脚尺寸为0.6B(B为试件厚度)。喷涂层的弹性模量为Ec，焊缝的弹性模量与试板相同，为Ep，取Ep＝198GPa。用复合梁的三点弯曲试验测定涂层的弹性模量，火焰喷涂层和等离子喷涂层的弹性模量分别为97.7GPa和118.1GPa。板为弹性平面应变状态，母材、焊缝和涂层的泊松比均为0.3。喷涂处理试件焊趾处涂层向母材圆滑过渡，采用如图2所示的涂层形貌模拟喷涂层，在如图所示的X方向施加拉伸应力180MPa。计算时采用二维平面应变模型，由于十字接头具有对称性，取其1/2进行计算。涂层及原焊缝焊趾处的网格划分如图3所示，所用单元为八节点等参元，各种状态下涂层及焊缝处均采用相同的单元尺寸0.0125B，即0.1mm，远离焊缝处的单元尺寸为2mm。为了定义应力集中系数，将施加应力后位于焊趾区域的板表面单元的应力绘于图中，且认为绘制的应力作用在三角形单元的中心处，如无特别说明，本文中提到的焊趾均为喷涂前原焊缝的焊趾。通过将曲线外推至焊趾处得到了有效的应力集中系数。需要强调的是，本文中的应力集中系数并不是焊趾处的真实的应力集中系数，在小半径转角处(或其他尖锐的不连续处)理论上的应力集中系数是无穷大的，其值依赖于转角处的半径大小。在有限元模型中转角处的单元尺寸越小，计算得到的应力值也就越大，这说明只有使用相同的单元尺寸时计算结果才可进行相互比较。疲劳试验结果各种接头的疲劳试验结果见表2～4。火焰喷涂和焊态的非承载十字接头试样均断在焊趾部位，见图4a、b，等离子喷涂试样断在母材上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法，其特征是，采用等离子喷涂工艺在焊缝表面喷涂涂层，该喷涂涂层包括以下步骤：ａ．将试样焊缝处进行吹砂处理；ｂ．在焊缝表面等离子喷涂粘结底层，所述底层材料选自Ｎｉ／ＡＬ、Ｎｉ／Ｃｒ或ＭｃｒＡ ＬＹ，Ｍ为过渡金属Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ或ＮｉＣｏ，底层厚度为０．０３～０．０７ｍｍ；ｃ．将粉未等离子喷涂在焊缝表面形成表面涂层，涂层厚度为０．８～１．２ｍｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：霍立兴，王东坡，张玉凤，张中平，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]