逆焊接处理对金属材料抗疲劳性能的测试
摘要：本文选取了16MnR、20g、Q235三种不同材料，分别对其进行逆焊接加热处理，对处理之后的金属材料进行疲劳测试和应力测试。
加热处理材料试件，利用冷却后的介质快速冷却处理焊缝处，由此获得了焊接温度的负温差，以调节和消除焊接残余拉应力。
本文通过实验分析，证明逆焊接加热处理技术确实能够有效的降低焊接残余拉应力，倘若有足够大的温度，就能够在处理表面出现双向的压缩残余应力层，以此增强金属材料抗疲劳的性能。
下载论文网 关键词：逆焊接处理；残余应力；疲劳性能 目前，在我国石化冶金行业，由于缺乏有效的管理，常使用各类的容器。
这些石油化工容器多数都处于高残余压力的情况之下，因而非常容易造成疲劳损害，破坏石油化工内的金属材料。
倘若可以在材料表面可以形成残余压应力，那么就能够提高焊接金属材料的抗疲劳性能。
在石化冶金行业，普通的热处理方法并不能及时有效的消除应力效果。
如今，新出现的调整和消除残余应力的技术，即逆焊接加热处理技术，可以有效的消除应力效果。
该技术是利用喷淋将焊缝区域冷却，使之比周围的温度低，在处理的表面形成一个双向型的压缩残余应力层。
这样的处理办法适合所有尺寸的焊接容器，特别适用于高强钢和复合板制作的大型容器。
方法很容易掌握，相对比较简单，很适用于现场装置使用。
1实验部分 1.1制备试样 实验选用石化冶金行业常用的16MnR、20g、Q235为基本材料。
将6MnR、20g、Q235都分别制成三块，每块的形状都是中间有V型坡口，宽度为10mm，没有开到底，而在底部预留3mm的厚度。
三块将分别处于正常温度、300℃、400℃的温度进行逆焊接加热处理。
1.2应力测算 在16MnR、20g、Q235中分别选择第一块试件，手工电弧焊接，为正常焊接状态，即110A电流、36V电压、140mm/min焊速。
第二个试件预热达到300℃的温度，并在稳定加热的情况下使用和第一个试件一样的焊接参数进行焊接。
第三块试件预热达到400℃温度，也对焊缝用水进行快速的冷却，直至室温。
图一：应变力粘贴示意图 表一：试件所测应力值数据表 材料 试件编号 应变片编号 纵向应力 /MPa 横向应力 /MPa 20g 1（常温） A 254 127 B 202 103 C 167 80 2（300℃） A 158 80 B 127 66 C 102 53 3（400℃） A 69 34 B 44 24 C 23 13 16MnR 1（常温） A 258 199 B 209 131 C 135 76 2（300℃） A 78 42 B 46 25 C 15 6 3（400℃） A ―96 ―43 B ―61 ―26 C ―38 ―14 Q235 1（常温） A 206 102 B 154 78 C 100 50 2（300℃） A 55 28 B 26 11 C 8 5 3（400℃） A ―99 ―55 B ―77 ―40 C ―50 ―22 通过表一中的数据，我们可以得出，20g材料，经过300℃的温度逆焊接处理，A贴片的纵向应力降低了39.31%，横向应力降低了37.21%。
经过400℃的温度逆焊接处理，A贴片残余拉应力值中，纵向应力降低了72.86%，横向应力降低了72.98%。
16MnR材料，经过300℃的温度逆焊接处理，A贴片的纵向应力降低了70%，横向应力降低了78.9%。
而经过400℃的温度逆焊接处理，A贴片的纵向应力降低了136.26%，横向应力降低了122%。
Q235材料，经过300℃的温度逆焊接处理，A贴片的纵向应力降低了73.57%，横向应力降低了73.32%。
而经过400℃的温度逆焊接处理，A贴片的纵向应力降低了148.23%，横向应力降低了154.11%。
1.3疲劳测试 试件疲劳值测试数据如下表： 材料 试件编号 疲劳试件编号 循环应力 循环次数 20g 1 D 170 2414 E 170 2336 2 D 170 2957 E 170 3068 3 D 170 3528 E 170 3579 16MnR 1 D 187 2777 E 187 2800 2 D 187 3500 E 187 3667 3 D 187 4102 E 187 4023 Q235 1 D 160 2302 E 160 2243 2 D 160 2897 E 160 2765 3 D 160 3896 E 160 3932 从表中我们可以看出，20g材料在300℃温度的逆焊接处理的疲劳循环次数平均值，比没有经过逆焊接处理要提高了27% ，而在400℃温度时，几乎提高了50%。
Q235材料，在30℃温度的逆焊接处理的疲劳循环次数平均值，比没有经过逆焊接处理要提高了28% ，而在400℃温度时，几乎提高了73%。
16MnR材料，在300℃温度的逆焊接处理的疲劳循环次数平均值，比没有经过逆焊接处理要提高了28% ，而在400℃温度时，几乎提高了45%。
2机理分析 逆焊接加热处理的技术，是利用冷源处于钢铁表面，然后形成一个分布不均匀而厚度不一致的温度场。
这样就能够使得在冷却收缩的过程中，表层会受到较高温度内层金属的拉伸作用，形成塑形变形。
如果有足够高的冷源度，那么就可以消除和降低处理面中的拉伸残余应力，而且还会在表层处形成双向的压缩应力，当然可以灵活的控制数值。
构件中一旦消除和降低拉伸的残余应力，就可以在表层附近形成双向的压缩应力。
如果在循环荷载作用力之下，那么就会使得构件的拉伸残余应力和循环荷载叠加，造成实际中所出现的应力循环值低于常温逆焊接加热处理温度，增加了极限应力，提高了金属材料的抗疲劳强度。
结束语： 本文选取了16MnR、20g、Q235三种不同材料，分别对其进行逆焊接加热处理，对处理之后的金属材料进行疲劳测试和应力测试。
经过试验证明，逆焊接处降低金属材料焊接残余拉应力的作用非常有效。
通过一系列的实验数据表明，逆焊接加热处理金属材料的焊缝，会使其抗疲劳性能大大提高，也能延长金属材料的使用寿命。
参考文献： [1]王国庆，闫萍，王岩，李姝.逆焊接处理对20g钢抗腐蚀及疲劳性能的影响[J].热加工工艺.2009，（1）. [2]徐东，宋天民，张国福，王岩，孟媛媛.逆焊接处理对金属材料抗疲劳性能的测试[J].辽宁石油化工大学学报.2007，（3）. [3]王岩，宋天民，张国福，徐东，孙祥广，孟媛媛.逆焊接处理对不同材料抗应力腐蚀性能的影响[J].辽宁石油化工大学学报.2007，（3）.