本發(fā)明屬于焊接，具體涉及一種提升焊接結構疲勞強度的方法。

背景技術：

1、對于完整均勻的金屬材料，其動載條件下的疲勞性能與材料屈服強度具有顯著的正相關關系，其疲勞失效機制為母材屈服強度控制的局部微區(qū)循環(huán)塑性應變累計損傷行為。然而，對于焊接接頭或結構，由于存在焊縫幾何形狀因素造成的焊趾應力集中、焊趾和焊縫中的幾何不連續(xù)性或焊接缺陷形成的初始疲勞裂紋源、焊接殘余拉應力與外部載荷的疊加等三大關鍵因素的影響，相對母材金屬材料，疲勞性能會顯著降低，降低幅度與上述三大關鍵因素的影響程度有關。鑒于此，在早期的動載結構件疲勞設計標準中，根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)積累進行了焊接接頭疲勞s-n曲線分級，鋼鐵材料焊接接頭或結構疲勞強度等級的高低與材料屈服強度級別不相關，僅與接頭形式設計、接頭細節(jié)特征、焊接質量等級以及焊后處理狀態(tài)等有關，比如：在主流的en?1993標準、iiw-2259-15標準、dnv-rp-c203標準等，均根據(jù)鋼鐵材料不同設計形式和質量等級不同給出了一組可用于疲勞設計的s-n曲線，并從各條s-n曲線中提取了循環(huán)次數(shù)為2*106時對應的應力范圍值，將其定義為疲勞強度特征值，作為動載結構件疲勞設計的依據(jù)。比如：在en?1993標準中，對于雙面焊接完全焊透的保留焊縫焊接接頭，s-n曲線對應dc90，疲勞強度特征值即為90mpa。其他標準也具有幾乎相同的定義。

2、當前主流的疲勞設計標準的產(chǎn)生有其特定背景，當時無論冶金制造水平還是焊接技術水平，均與如今的整體技術水平存在較大差距，冶金過程的純凈度控制、夾雜物偏析控制與焊接殘余拉應力、焊接宏觀和微觀缺陷等因素疊加，形成了初始疲勞裂紋源，從而使不同材料種類的焊接接頭或結構表現(xiàn)出基本相似的疲勞強度。然而，隨著冶金制造水平和焊接技術水平的不斷進步，鋼鐵材料自身質量與焊接制造質量都在不斷提高，可以預見的是：當對焊接接頭或結構疲勞強度有重要影響的關鍵因素得到控制時，接頭或結構疲勞強度的提升成為可能。

3、申請?zhí)枮椋篶n?2005800471047的發(fā)明申請，公開了“一種超聲沖擊處理的不可拆卸焊接接頭及方法”，其焊接接頭由在超聲沖擊處理之后具有大于500mpa的屈服強度σ的高強度鋼或合金制成，并且具有比σ小于500mpa的鋼或合金的疲勞極限最高30％的疲勞極限。有利的壓縮應力具有2mm的深度，在表面處的量值大于焊接接頭的未處理母材的屈服強度和疲勞極限達1.5倍。所述焊接接頭的殘余應力水平為所述焊接接頭的屈服強度的0.5以下，殘余焊接變形為所述焊接接頭的預定尺寸公差的100％或更小，和/或抗疲勞性等于或大于所述焊接接頭的未處理母材的抗疲勞性。所述焊接接頭的疲勞極限比未經(jīng)處理的母材提高了至少1.3倍，并且具有提高到等于或大于焊接接頭的未經(jīng)處理的母材的抗疲勞性、屈服點、極限強度和沖擊強度的水平。定位焊縫的疲勞極限至少是焊接接頭的未處理的母材的1.3倍，并且抗疲勞性、極限強度和沖擊強度等于或大于未處理的母材。

4、申請?zhí)枮椋篶n200980130008.7的發(fā)明申請，公開了“一種改善焊接接頭疲勞特性的沖擊處理方法及改善其疲勞特性的沖擊處理裝置以及耐疲勞特性優(yōu)良的焊接結構件”，其在焊縫的焊趾附近的母材金屬材料表面，一邊按壓沖擊銷一邊使之沿焊接線方向相對移動操作，從而實施錘擊處理或超聲波沖擊處理，在所述沖擊處理方法中，作為所述沖擊銷，使用頂端曲率半徑在金屬材料厚度的1/2以下且為2～10mm的沖擊銷；從所述焊縫的焊趾至沖擊處理位置中心的距離為所述沖擊銷的頂端曲率半徑的2.5倍以內；且在直至所述沖擊銷于沖擊處理中不與焊接金屬接觸這一范圍的母材金屬材料表面，實施所述錘擊或超聲波沖擊處理，從而利用所述沖擊銷產(chǎn)生殘余塑性變形，使得沖擊痕的槽深度為0.1～2mm、并在該沖擊銷的頂端曲率半徑以下、且為所述金屬材料的厚度的1/10以下，沖擊痕的寬度為1.5～15mm、且在所述槽深度的5倍以上。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于通過設定的約束條件、配合設置的處理方法，克服行業(yè)內的技術常規(guī)認識偏見，以完成一種根據(jù)設定的約束條件配合設置的處理方法，即能將焊接接頭或焊接結構的疲勞強度與母材的靜載強度建立關聯(lián)的技術方案。

2、為實現(xiàn)以上技術目的，本發(fā)明提供了一種提升焊接結構疲勞強度的方法，其技術方案具體如下：

3、一種提升焊接結構疲勞強度的方法，

4、針對全熔透對接接頭或非承載角接接頭，首先，通過針對因焊縫幾何形狀因素造成的焊趾應力集中、因焊縫宏觀或微觀缺陷形成的初始疲勞裂紋源、以及焊接殘余拉應力分別建立控制優(yōu)化，基于三者的控制優(yōu)化形成由母材屈服強度控制的局部微區(qū)循環(huán)塑性應變累積損傷表征的疲勞強度機制，

5、其次，基于基本金屬的疲勞強度與靜載強度的正相關性，將焊接材質設定為高強鋼，從而實現(xiàn)焊接結構疲勞強度的提升。

6、進一步地，

7、針對因焊縫幾何形狀因素造成的焊趾應力集中建立的控制優(yōu)化，具體通過減小焊縫高寬比、增加焊趾過渡角度以及對設定的加權應力集中系數(shù)建立約束實現(xiàn)。

8、進一步地，

9、對于全熔透對接接頭，控制焊縫余高與焊縫寬度的比值小于0.1；控制焊趾過渡角度大于135°；控制加權應力集中系數(shù)小于0.04；

10、對于非承載角接接頭，控制焊縫凸出高度與傳遞載荷側焊角寬度的比值小于0.15；控制傳遞載荷側焊趾過渡角度大于135°；控制加權應力集中系數(shù)小于0.05。

11、進一步地，

12、針對因焊縫宏觀或微觀缺陷形成的初始疲勞裂紋源建立的控制優(yōu)化，具體為：

13、通過建立對焊縫內部缺陷的優(yōu)化以及建立對焊縫表面缺陷的優(yōu)化，形成由母材屈服強度控制的微區(qū)循環(huán)塑性應變累計損傷疲勞裂紋萌生階段，杜絕由初始疲勞裂紋源直接進入裂紋擴展階段。

14、進一步地，

15、對于全熔透對接接頭，建立對焊縫內部缺陷的優(yōu)化，具體為：

16、控制杜絕二維缺陷的發(fā)生，并對于三維缺陷控制杜絕聚集型三維缺陷的發(fā)生，同時控制獨立型三維缺陷的最大尺寸以及于焊縫長度方向設定間距內的獨立型三維缺陷的個數(shù)。

17、進一步地，

18、具體為：

19、控制獨立型三維缺陷的最大尺寸小于等于2mm；

20、控制獨立型三維缺陷于焊縫長度方向任意300mm范圍內的獨立型三維缺陷的個數(shù)小于等于3處。

21、進一步地，

22、對于全熔透對接接頭，建立對焊縫表面缺陷的優(yōu)化，通過建立控制咬邊深度、咬邊寬度以及控制于焊縫長度方向設定間距內的咬邊數(shù)量完成。

23、進一步地，

24、具體為：

25、控制咬邊深度小于0.5mm；

26、控制咬邊寬度小于0.5mm；

27、控制于焊縫長度方向任意300mm范圍內的咬邊數(shù)量小于等于3處。

28、進一步地，

29、對于非承載角接接頭，建立對焊縫內部缺陷的優(yōu)化，通過建立對獨立型三維缺陷的約束結合控制與母材底板的貼合品質完成。

30、進一步地，

31、建立對獨立型三維缺陷的約束，由建立對獨立型三維缺陷最大尺寸的限定、建立對于焊縫長度方向設定間距內的獨立型三維缺陷的個數(shù)的限定以及建立對于聚集型三維缺陷的限定構成。

32、進一步地，

33、建立對于獨立型三維缺陷最大尺寸的限定，具體為：控制獨立型三維缺陷的最大尺寸小于等于3mm；

34、建立對于焊縫長度方向設定間距內的獨立型三維缺陷的個數(shù)的限定，具體為：

35、控制獨立型三維缺陷于焊縫長度方向任意300mm范圍內的獨立型三維缺陷的個數(shù)小于等于6處；

36、建立對于聚集型三維缺陷的限定，具體為：控制杜絕聚集型三維缺陷的發(fā)生。

37、進一步地，

38、控制與母材底板的貼合品質，通過控制與母材底板的貼合之間的獨立型夾渣尺寸小于3mm以及獨立型空洞尺寸小于3mm完成。

39、進一步地，

40、對于非承載角接接頭，建立對焊縫表面缺陷的優(yōu)化，通過建立控制咬邊深度、咬邊寬度以及控制于焊縫長度方向設定間距內的咬邊數(shù)量完成。

41、進一步地，

42、具體為：

43、控制咬邊深度小于0.5mm；

44、控制咬邊寬度小于0.5mm；

45、控制于焊縫長度方向任意300mm范圍內的咬邊數(shù)量小于等于3處。

46、進一步地，

47、針對焊接殘余拉應力建立的控制優(yōu)化，通過建立可減小焊接殘余拉應力的焊接工藝過程的優(yōu)化配合建立對焊接殘余拉應力峰值的優(yōu)化實現(xiàn)。

48、進一步地，

49、對焊接殘余拉應力峰值的優(yōu)化，通過控制焊接殘余拉應力與外部載荷兩者疊加作用產(chǎn)生的殘余應力松弛效應的持續(xù)時間完成。

50、進一步地，

51、所述持續(xù)時間以控制早期疲勞循環(huán)1000-5000次時不發(fā)生疲勞失效完成。

52、本發(fā)明的一種提升焊接結構疲勞強度的方法，通過設定的約束條件、配合設置的處理方法，在克服行業(yè)內的技術常規(guī)認識偏見的基礎上實現(xiàn)焊接結構疲勞強度的提升。其中的約束條件指限定提升的對象為全熔透對接接頭或非承載角接接頭，其中的配合設置的處理方法，指以控制形成以母材屈服強度控制的局部微區(qū)循環(huán)塑性應變累積損傷疲勞失效機制建立焊接結構疲勞失效機制的表征為目的，圍繞這一目的分別從針對因焊縫幾何形狀因素造成的焊趾應力集中、因焊縫宏觀或微觀缺陷形成的初始疲勞裂紋源、以及焊接殘余拉應力三方面分別建立控制優(yōu)化，以綜合優(yōu)化的結果共同服務與實現(xiàn)這一技術目的。