專利名稱：一種產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的實(shí)芯焊絲及其在不銹鋼焊接中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)芯焊絲，具體地說，是涉及對(duì)不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力分布進(jìn)行改善的實(shí)芯焊絲及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
相比于其它連接技術(shù)，焊接技術(shù)在工程生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，焊接結(jié)構(gòu)隨焊接技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，從20世紀(jì)20年代開始得到了越來越廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國焊接結(jié)構(gòu)用鋼占鋼產(chǎn)量的50%左右，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家這一比例更高。然而焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生斷裂事故，大量統(tǒng)計(jì)資料表明，工程結(jié)構(gòu)失效有80%以上是由疲勞引起的，對(duì)于承受循環(huán)載荷的焊接構(gòu)件有90%以上的失效是由于疲勞破壞。因此，規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)承載交變載荷焊接結(jié)構(gòu)時(shí)， 以焊接接頭的疲勞性能作為整體結(jié)構(gòu)的疲勞性能，而不是母材的疲勞性能。應(yīng)力集中和焊后殘余拉伸應(yīng)力對(duì)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度有較大的影響，造成整體結(jié)構(gòu)的過早失效。因此消除焊接接頭應(yīng)力集中，改善焊后應(yīng)力狀態(tài)，可提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度，具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法主要分為兩大類，一類是改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法，包括TIG熔修和局部機(jī)械加工；二類是調(diào)整殘余應(yīng)力場產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法，包括局部加熱、預(yù)過載法、擠壓法和Gurrmerts方法。工程中最為廣泛使用的是TIG 熔修法和局部機(jī)械加工法，這兩種方法都有一定的局限性。TIG熔修的作用是改善焊趾處的過渡半徑，消除應(yīng)力集中，但要求操作工有一定的操作水平，操作工的水平差異對(duì)性能的改善程度有明顯影響；并且這種方法依靠熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)和鋪展來改善焊趾部位的過渡半徑，因此只適合于平焊和平角焊位置的焊縫，對(duì)仰焊、立焊和橫焊等位置無法實(shí)施操作。 局部機(jī)械加工法使焊縫表面應(yīng)力集中大大減少，但這種機(jī)械加工的成本很高，需要很大的工作量，同時(shí)也延長了工時(shí)，增加了生產(chǎn)成本。而且這兩種方法都側(cè)重于消除應(yīng)力集中，而對(duì)焊后殘余應(yīng)力場沒有明顯改善效果。因此，針對(duì)不銹鋼焊接接頭的疲勞性能，特別是殘余應(yīng)力場的改善，需要更加有效和經(jīng)濟(jì)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，改善不銹鋼母材焊接接頭應(yīng)力分布的技術(shù)問題，提供一種能夠使不銹鋼焊接接頭焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的實(shí)芯焊絲，在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的疲勞性能。一種產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的實(shí)芯焊絲，所述焊絲組分及重量百分比(％ )為C = 0. 02 0. 06，Mn = 0. 8 2. 5，Cr = 9 14，Ni = 4. 0 10. 0，Mo = 0. 1 1. 0，Si = 0. 1 0. 7，Ti = 0. 1 0. 6，Nb = 0. 1 0. 6，其余為鐵。應(yīng)力狀態(tài)改善效果較為明顯的優(yōu)質(zhì)實(shí)心焊絲，其所述焊絲組分及重量百分比 )為C = 0. 02 0. 06,Mn = 1. 0 1. 5，Cr = 11 13，Ni = 7. 0 9· 0,Mo = 0. 2 0. 5，Si = 0. 2 0. 5，Ti = 0. 15 0. 3，Nb = 0. 15 0. 3，其余為鐵。鋼鐵材料從高溫到室溫的冷卻過程中，會(huì)發(fā)生體積的熱收縮。同時(shí)伴有一系列的組織轉(zhuǎn)變，此組織相變伴隨有體積膨脹。室溫下的焊接殘余應(yīng)力由焊接熱收縮應(yīng)力和相變應(yīng)力共同決定的，對(duì)于低碳鋼、中碳鋼和低合金元素材料，組織轉(zhuǎn)變?cè)谳^高的溫度下進(jìn)行， 此時(shí)材料處于塑性狀態(tài)，因而體積膨脹不會(huì)改變焊接殘余應(yīng)力。對(duì)于高合金材料，比如奧氏體不銹鋼，由于材料從高溫到低溫的冷卻過程中并不發(fā)生相變，所以通常選用與奧氏體不銹鋼相匹配的焊接材料進(jìn)行焊接時(shí)，焊接的殘余應(yīng)力主要由焊接熱收縮決定，最終焊縫表面得到殘余拉伸應(yīng)力。但對(duì)于一定合金成分的鋼鐵材料，組織轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束均在較低溫度，此時(shí)材料處于彈塑性或彈性狀態(tài)，因此相變體積膨脹，可減少殘余拉伸應(yīng)力，以致出現(xiàn)對(duì)焊縫性能有益的殘余壓縮應(yīng)力。本發(fā)明和普通藥芯焊絲的焊縫金屬冷卻曲線如圖1所示。曲線1和3是普通藥芯焊絲熔敷金屬的冷卻膨脹曲線，從圖中的曲線1可以看出，普通低碳鋼藥芯焊絲相變溫度較高，曲線3可以看出普通不銹鋼藥芯焊絲未發(fā)生相變，最終焊縫表面得到的都是殘余拉伸應(yīng)力。曲線2為能夠使不銹鋼焊接接頭焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的低相變點(diǎn)實(shí)芯焊絲。從曲線2可以看出，在相變開始溫度Ms點(diǎn)，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)奧氏體開始向馬氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體量逐漸減少，馬氏體量逐漸增大，隨著溫度繼續(xù)降低，馬氏體相變所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)變?cè)郊用黠@。當(dāng)相變轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度在室溫附近時(shí)，焊縫金屬不再發(fā)生熱收縮，從而使得焊縫金屬獲得殘余壓縮應(yīng)力。相比于傳統(tǒng)的改善焊接接頭疲勞性能的方法，本發(fā)明的低相變點(diǎn)實(shí)芯焊絲著重于改善焊接接頭的應(yīng)力分布，既不需要TIG熔修對(duì)操作人員的高水平技術(shù)要求，也不會(huì)產(chǎn)生如機(jī)械加工、局部加熱的額外巨大工作量。本發(fā)明選用低相變點(diǎn)實(shí)芯焊絲，不僅有利用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)窄間隙焊接，而且實(shí)施手工焊時(shí)對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求降低，同時(shí)避免焊后加工的附加工序，提高生產(chǎn)效率。使用本發(fā)明的低相變點(diǎn)實(shí)芯焊絲對(duì)不銹鋼進(jìn)行焊接，可以在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生有益于焊縫的疲勞性能，可以起到延長疲勞壽命的作用。


圖1是本發(fā)明的低相變點(diǎn)實(shí)芯焊絲和普通藥芯焊絲焊縫金屬的冷卻膨脹曲線對(duì)比圖。圖2是進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試的測(cè)試示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，以Cr-Ni-Mn-Si合金系作為藥芯焊絲的基礎(chǔ)合金系統(tǒng)，以Ti、Nb等合金元素的添加改善焊縫金屬的力學(xué)性能。實(shí)芯焊絲要控制碳含量，以保證焊縫中得到低碳板條馬氏體組織，焊絲直徑為1. 2 4. 0mm，常用焊絲直徑為1. 2mm、l. 6mm、3. 2mm、4. Omm前兩種用于填絲的非熔化極TIG焊接方法，后兩種主要用于埋弧焊。下述各實(shí)施例實(shí)芯焊絲直徑均為01. 6mm。組分及重量百分比(％ )見下表1 表 權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的實(shí)芯焊絲，其特征在于，所述焊絲組分及重量百分比(％) 為C 為 0. 02 0. 06, Mn 為 0. 8 2. 5，Cr 為 9 14，Ni 為 4. 0 10. Ο,Μο 為 0. 1 1. 0， Si為0. 1 0. 7，Ti為0. 1 0. 6，Nb為0. 1 0. 6，其余為鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的實(shí)芯焊絲，其特征在于，其所述焊絲組分及重量百分比(％ )為C為0. 02 0. 06，Mn為1. 0 1. 5，Cr為11 13，Ni為 7. 0 9. 0，Mo 為 0. 2 0. 5，Si 為 0. 2 0. 5，Ti 為 0. 15 0. 3，Nb 為 0. 15 0. 3，其余為鐵。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的一種產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的實(shí)芯焊絲在不銹鋼焊接中的應(yīng)用，其特征在于，在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生有益于焊縫的疲勞性能，可以起到延長疲勞壽命的作用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的實(shí)芯焊絲及其在不銹鋼焊接中的應(yīng)用，所述焊絲組分及重量百分比為C＝0.02～0.06，Mn＝0.8～2.5，Cr＝9～14，Ni＝4.0～10.0，Mo＝0.1～1.0，Si＝0.1～0.7，Ti＝0.1～0.6，Nb＝0.1～0.6，其余為鐵。本發(fā)明能夠改善不銹鋼母材焊接接頭應(yīng)力分布的技術(shù)問題，在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的疲勞性能。
文檔編號(hào)B23K35/30GK102554507SQ201210022008
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月1日
發(fā)明者徐連勇, 荊洪陽, 趙森, 韓永典 申請(qǐng)人:天津大學(xué)