Vermoeiingssterkte in gelaste constructies begrijpen

Oorzaken van vermoeiingsbreuk van gelaste constructies

De oorzaken van vermoeiingsbreuk in gelaste constructies omvatten verschillende kritieke factoren:

① Terwijl lasverbindingen meestal een vergelijkbare statische belastbaarheid hebben als het basismetaal, is hun prestatie onder cyclische belasting aanzienlijk minder. Deze weerstand tegen vermoeiing wordt sterk beïnvloed door de configuratie van de verbinding en het algemene constructieontwerp. Bijgevolg treedt er vaak vroegtijdig falen op bij lasverbindingen, waardoor de integriteit van de hele constructie in gevaar komt.

② In het verleden werd bij het ontwerpen van lasconstructies voorrang gegeven aan statische belasting en werden cruciale overwegingen met betrekking tot vermoeiing verwaarloosd. Deze onoplettendheid, in combinatie met het ontbreken van uitgebreide ontwerpnormen voor vermoeiing, heeft geleid tot suboptimale verbindingsontwerpen die nu worden erkend als ontoereikend voor langdurige cyclische belasting.

③ Er bestaat een gebrek aan kennis bij ingenieursontwerpers en technici over de unieke vermoeiingsweerstandskenmerken van gelaste constructies. Deze tekortkoming resulteert vaak in de onjuiste toepassing van vermoeiingsontwerpcriteria en constructievormen van niet-gelaste metalen constructies, waarbij de specifieke uitdagingen van gelaste verbindingen niet worden aangepakt.

④ De toename van gelaste constructies, in combinatie met trends in de industrie ten gunste van kosteneffectiviteit en gewichtsvermindering, heeft geleid tot hogere ontwerpbelastingen. Dit streven naar optimalisatie, hoewel gunstig voor statische scenario's, verergert vaak vermoeiingsgerelateerde problemen door materialen dichter bij hun uithoudingslimieten te duwen.

⑤ Naarmate gelaste constructies meer en meer gebruikt worden in toepassingen met hoge snelheden en zware belastingen, zijn de eisen aan hun dynamische draagcapaciteit toegenomen. Onderzoek naar de vermoeiingssterkte van gelaste constructies heeft echter geen gelijke tred gehouden met deze veranderende eisen, waardoor een kritieke leemte in kennis is ontstaan voor het ontwerp en de voorspelling van prestaties.

⑥ De inherente spanningsconcentraties bij laseinden en -wortels, in combinatie met potentiële lasdefecten zoals gebrek aan versmelting of porositeit, dienen als initiatiepunten voor vermoeiingsscheuren. Deze microstructurele en geometrische discontinuïteiten verminderen de vermoeiingslevensduur van gelaste componenten aanzienlijk in vergelijking met hun ongelaste tegenhangers.

Restspanningen die tijdens het lasproces worden geïntroduceerd, vooral trekrestspanningen in de buurt van de laszone, kunnen de effectieve vermoeiingssterkte van de constructie aanzienlijk verminderen door het initiëren en voortplanten van scheuren onder cyclische belasting te vergemakkelijken.

2. Oorzaken van vermoeiingsbreuk van gelaste constructies

2.1 Effect van statische belastingssterkte op vermoeiingssterkte van de gelaste constructie

Bij de studie van ijzer- en staalmaterialen streven onderzoekers naar een hoge specifieke sterkte, wat betekent dat ze zware lasten kunnen dragen terwijl ze licht zijn. Hierdoor kunnen constructies een grotere draagcapaciteit hebben met hetzelfde gewicht, of dezelfde capaciteit hebben terwijl ze lichter zijn. Als gevolg hiervan werd hoogsterkte staal ontwikkeld met een hoge vermoeiingssterkte.

De vermoeiingssterkte van onedele metalen neemt toe naarmate de statische belastingssterkte toeneemt. Dit geldt echter niet voor gelaste constructies. De vermoeiingssterkte van lasverbindingen heeft een beperkte correlatie met de statische sterkte van het basismetaal, het lasmetaal, de microstructuur en eigenschappen van de warmte-beïnvloede zone en de sterkteovereenkomst van het lasmetaal.

Met andere woorden, gegeven dezelfde lasdetails, is de vermoeiingssterkte van staal met hoge sterkte en staal met lage koolstofsterkte hetzelfde en vertonen ze dezelfde S-N-curve. Dit geldt voor verschillende verbindingstypes zoals stuikverbindingen, hoekverbindingen en gelaste balken.

Maddox voerde een onderzoek uit naar de vermoeiingsscheurgroei van koolstof-mangaanstaal met een vloeipunt variërend van 386 tot 636 MPa, en lasmetaal en warmte-beïnvloede zones gelast met zes verschillende elektroden.

De resultaten geven aan dat de mechanische eigenschappen van het materiaal enige invloed hebben op de scheurgroeisnelheid, maar het effect is niet significant.

Bij het ontwerpen van gelaste constructies onder wisselende belasting is het kiezen van staal met hoge sterkte niet zinvol om aan de technische eisen te voldoen. Hoogsterkte staal is alleen nodig voor het basismetaal van de lasverbinding als de spanningsverhouding groter is dan +0,5 en de statische sterkteconditie een dominante rol speelt.

De reden voor deze resultaten is de aanwezigheid van slakwigdefecten die lijken op ondersnijdingen langs de smeltlijn aan de laseinde van de lasnaad, met een dikte van 0,075 mm tot 0,5 mm en een puntradius van minder dan 0,015 mm. De scherpe defecten zijn de oorsprong van vermoeiingsscheuren, gelijk aan het stadium van de vorming van vermoeiingsscheuren.

Daarom wordt de vermoeiingslevensduur van de lasverbinding onder een bepaalde spanningsamplitude voornamelijk bepaald door de fase van de vermoeiingsscheurgroei. Deze defecten resulteren in hetzelfde type lasverbindingen voor alle staalsoorten met dezelfde vermoeiingssterkte, ongeacht de statische sterkte van het basismetaal en de lasmaterialen.

2.2 Effect van spanningsconcentratie op vermoeiingssterkte

2.2.1 Invloed van het type verbinding

Gelaste verbindingen omvatten stootverbindingen, kruisverbindingen, T-verbindingen en overlapverbindingen. Deze verbindingen zijn gevoelig voor spanningsconcentratie door de interferentie van de krachtoverbrengingslijn.

De spanningslijninterferentie van stuikverbindingen is minimaal, wat resulteert in een lage spanningsconcentratie en een hogere vermoeiingssterkte in vergelijking met andere verbindingen. Experimenten hebben echter aangetoond dat de vermoeiingssterkte van stuikverbindingen sterk kan variëren door verschillende factoren zoals proefstukgrootte, groefvorm, lasmethode, type elektrode, laspositie, lasvorm, lasbewerking na het lassen en warmtebehandeling na het lassen.

Het gebruik van een permanente steunplaat in een stuikverbinding kan een aanzienlijke spanningsconcentratie bij de steunplaat veroorzaken en de vermoeiingssterkte van de verbinding verminderen. Vermoeiingsscheuren in dit type las komen voor bij de naad tussen de las en de steunplaat in plaats van bij de lasteen en de vermoeiingssterkte is over het algemeen gelijk aan die van een stootlas met de slechtste vorm zonder steunplaat.

Kruisverbindingen en T-verbindingen worden veel gebruikt in gelaste constructies.

In deze lastdragende verbindingen resulteert de duidelijke verandering in doorsnede bij de overgang van de las naar het basismetaal in een hogere spanningsconcentratiefactor in vergelijking met de stuikverbinding, wat leidt tot een lagere vermoeiingssterkte voor kruis- en T-verbindingen in vergelijking met stuikverbindingen.

Voor niet-afgeschuinde verbindingen verbonden door hoeklassen en groefverbindingen met plaatselijke lasinbranding kunnen vermoeiingsbreuken optreden in twee zwakke schakels, d.w.z. de overgang tussen het basismetaal en de lasteen of las, wanneer de las werkende spanning overbrengt. Bij kruisende verbindingen met groefindringing treden breuken over het algemeen alleen op bij de lasteen en niet bij de las.

De vermoeiingssterkte van T-verbindingen en kruisverbindingen, waarbij de las geen werkspanning draagt, hangt voornamelijk af van de spanningsconcentratie op de overgang van de las en de hoofdspanningsplaat. T-verbindingen hebben een hogere vermoeiingssterkte, terwijl kruisverbindingen een lagere vermoeiingssterkte hebben.

De vermoeiingssterkte van T-vormige of kruisverbindingen kan worden verbeterd door groeflassen toe te passen en de lasovergang te bewerken om een gladde overgang te creëren. Deze maatregel kan de vermoeiingssterkte aanzienlijk verbeteren.

De vermoeiingssterkte van overlapverbindingen is erg laag door de ernstige vervorming van de krachtlijn. Het gebruik van een zogenaamde "versterkte" dekplaatstootverbinding is uiterst onredelijk.

Het gebruik van een afdekplaat in een stootvoeg verzwakt de hoge vermoeiingssterkte aanzienlijk door een verhoogde spanningsconcentratie.

In lastdragende dekplaatverbindingen kunnen vermoeiingsscheuren optreden in het basismetaal of in de las. Bovendien zal het veranderen van de breedte van de dekplaat of de lengte van de las de spanningsverdeling in het basismetaal veranderen, wat de vermoeiingssterkte van de verbinding beïnvloedt. De vermoeiingssterkte van de verbinding neemt toe naarmate de verhouding tussen de laslengte en de breedte van de dekplaat toeneemt, omdat dit meestal resulteert in een gelijkmatigere spanningsverdeling in het basismetaal.

2.2.2 Invloed van de lasvorm

Ongeacht de verbindingsvorm worden ze verbonden door twee soorten lassen: stuiklassen en hoeklassen.

De vorm van de lassen beïnvloedt de spanningsconcentratiefactor, wat leidt tot aanzienlijke variaties in vermoeiingssterkte.

De vorm van de stuiklas heeft de grootste invloed op de vermoeiingssterkte van de verbinding.

(1) Invloed van de overgangshoek

Yamaguchi et al. legden het verband tussen vermoeiingssterkte en de overgangshoek (externe stompe hoek) tussen het basismetaal en het lasmetaal.

In de tests veranderden de lasbreedte (W) en -hoogte (H), maar de H/W-verhouding bleef constant, wat betekent dat de ingesloten hoek onveranderd bleef. De resultaten toonden aan dat de vermoeiingssterkte ook onveranderd bleef.

Wanneer echter de lasbreedte constant bleef en de hoogte veranderde, bleek dat een toename in de hoogte resulteerde in een afname van de vermoeiingssterkte van de verbinding. Dit is duidelijk te wijten aan een afname van de uitwendige opnamehoek.

(2) Invloed van de lasovergangstraal

De onderzoeksresultaten van Sander et al. geven aan dat de lasovergangsradius ook een significante invloed heeft op de vermoeiingssterkte van de lasverbinding. Naarmate de overgangsradius toeneemt (terwijl de overgangshoek onveranderd blijft), neemt de vermoeiingssterkte toe.

De vorm van de hoeklas heeft ook een aanzienlijke invloed op de vermoeiingssterkte van de las. Wanneer de verhouding van de berekende dikte (a) van een enkele las tot de plaatdikte (b) kleiner is dan 0,6 tot 0,7, breekt deze over het algemeen in de las. Wanneer a/b > 0,7, breekt hij meestal vanuit het basismetaal.

Het vergroten van de las kan de sterkte van een andere zwakke sectie niet veranderen, d.w.z. het basismetaal aan het einde van de lasteen en daarom kan de vermoeiingssterkte in het gunstigste geval niet worden overschreden.

Soete en Van Crombrugge voerden tests uit op 15 mm dikke platen die gelast waren met verschillende hoeklassen onder axiale vermoeiingsbelasting.

De resultaten toonden aan dat wanneer het lasbeen 13 mm was, er breuken optraden in het basismetaal of bij de laseinde. Als het lasbeen kleiner was dan deze waarde, traden er vermoeiingsbreuken op in de las. Als het lasbeen 18 mm was, traden breuken op in het basismetaal.

Op basis van deze bevindingen stelden ze een limiet voor de grootte van het lasbeen voor: S = 0,85B, waarbij S de grootte van het lasbeen is en B de plaatdikte.

Zelfs als de grootte van het lasbeen de plaatdikte (15 mm) bereikte, traden er nog steeds breuken op in de las, wat de theoretische resultaten bevestigt.

2.2.3 invloed van lasdefecten

Er zijn veel verschillende soorten defecten bij de laseus die leiden tot vroegbarsten van vermoeiingsscheuren en een aanzienlijke afname van de vermoeiingssterkte van het basismetaal (tot 80%).

Lasdefecten kunnen over het algemeen worden onderverdeeld in twee categorieën:

De invloed van vlakke defecten (zoals scheuren en gebrek aan versmelting) en volumetrische defecten (zoals poriën en slakinsluiting) varieert.

Daarnaast is de impact van lasdefecten op de vermoeiingssterkte van verbindingen is afhankelijk van het type, de richting en de locatie van de defecten.

1) Barst

Scheuren in lassenzoals koude en warme scheuren, zijn belangrijke bronnen van spanningsconcentratie naast een brosse microstructuur en kunnen de vermoeiingssterkte van constructies of verbindingen aanzienlijk verminderen.

Eerdere studies hebben aangetoond dat in een stalen stootlas met een laag koolstofgehalte met een breedte van 60 mm en een dikte van 12,7 mm, wanneer er scheuren met een lengte van 25 mm en een diepte van 5,2 mm in de las zitten (die ongeveer 10% van de dwarsdoorsnede van het proefstuk innemen), de vermoeiingssterkte onder wisselende belasting verminderd is met 55% tot 65% na 2 miljoen cycli.

2) Onvolledige penetratie

Het is belangrijk op te merken dat onvolledige penetratie niet altijd als een defect wordt beschouwd, omdat het opzettelijk kan zijn ontworpen voor bepaalde verbindingen, zoals drukvatmondstukken.

Onvolledige inbrandingsdefecten kunnen oppervlaktedefecten (enkelzijdige las) of inwendige defecten (dubbelzijdige las) zijn en kunnen plaatselijk of algemeen zijn. Ze verzwakken vooral de dwarsdoorsnede en veroorzaken spanningsconcentratie.

Tests hebben aangetoond dat in vergelijking met resultaten zonder dergelijke defecten, de vermoeiingssterkte met 25% afneemt, wat betekent dat de impact niet zo ernstig is als die van scheuren.

3) Onvolledige fusie

Ondanks het feit dat dit een belangrijk probleem is, is er nog maar weinig onderzoek gedaan naar dit onderwerp vanwege problemen met de monstervoorbereiding.

Het is echter duidelijk dat gebrek aan fusie een soort vlak defect is en niet kan worden genegeerd. Het wordt vaak behandeld als een vorm van onvolledige penetratie.

4) Ondersnijding

De belangrijkste parameters die de ondersnijding beschrijven zijn de ondersnijdingslengte (L), ondersnijdingsdiepte (h) en ondersnijdingsbreedte (W).

Momenteel is de belangrijkste parameter die de vermoeiingssterkte beïnvloedt de ondersnijdingsdiepte (h) en deze kan geëvalueerd worden door ofwel de diepte (h) of de verhouding van de diepte tot de plaatdikte (h/B).

5) huidmondjes

Harrison heeft de eerdere testresultaten met betrekking tot volumetrische defecten geanalyseerd en samengevat.

De afname in vermoeiingssterkte is voornamelijk te wijten aan de afname in doorsnede veroorzaakt door poriën. Er is een lineair verband tussen beide.

Sommige studies tonen echter aan dat wanneer het oppervlak van het proefstuk bewerkt wordt, waardoor de poriën zich op of net onder het oppervlak bevinden, de negatieve invloed van de poriën zal toenemen. Ze zullen fungeren als een bron van spanningsconcentratie en het beginpunt worden van vermoeiingsscheuren.

Dit suggereert dat de locatie van de poriën een grotere invloed heeft op de vermoeiingssterkte van de verbinding dan de grootte, en dat poriën op of onder het oppervlak het meest significante negatieve effect hebben.

6) Insluiting van slak

Het onderzoek uitgevoerd door IIW toonde aan dat van de volumetrische defecten, slakinsluiting een grotere impact heeft op de vermoeiingssterkte van verbindingen dan poreusheid.

De invloed van lasdefecten op de vermoeiingssterkte van verbindingen is niet alleen afhankelijk van de grootte van het defect, maar wordt ook beïnvloed door verschillende andere factoren, zoals oppervlaktedefecten die een grotere invloed hebben dan inwendige defecten en vlakke defecten die loodrecht op de krachtrichting staan die een grotere invloed hebben dan in andere richtingen.

De invloed van defecten in gebieden met restspanning is groter dan die in gebieden met restdrukspanning en defecten in gebieden met spanningsconcentratie, zoals lasscheuren, hebben een grotere invloed dan dezelfde defecten in gelijkmatige spanningsvelden.

2.3 Effect van lasrestspanning op vermoeiingssterkte

Lassen restspanning is een eigenschap van gelaste constructies die veel bestudeerd wordt vanwege de invloed ervan op de vermoeiingssterkte van deze constructies. Er zijn talloze experimentele studies uitgevoerd om dit probleem te onderzoeken.

De vermoeiingstesten worden vaak uitgevoerd door monsters te vergelijken met lasrestspanning aan die een warmtebehandeling hebben ondergaan om de restspanning te verwijderen. Dit komt omdat het ontstaan van restspanningen bij het lassen vaak gepaard gaat met veranderingen in de materiaaleigenschappen als gevolg van de thermische lascyclusen warmtebehandeling elimineert niet alleen de restspanning maar herstelt ook gedeeltelijk of volledig de materiaaleigenschappen.

Vanwege de variabiliteit van de testresultaten zijn er echter verschillende interpretaties van de resultaten en evaluaties van de invloed van restspanning bij het lassen. Dit kan worden gezien door te kijken naar het vroege en recente onderzoek dat door verschillende personen is uitgevoerd.

Verschillende onderzoekers zijn bijvoorbeeld tot verschillende conclusies gekomen uit 2×106 cyclustests op stootvoegen met wapening.

Het is gebleken dat de vermoeiingssterkte van een proefstuk na een warmtebehandeling om de spanning te verminderen 12,5% hoger was dan hetzelfde proefstuk in gelaste toestand. Sommige studies hebben echter gevonden dat de vermoeiingssterkte van zowel de gelaste als de warmtebehandelde proefstukken hetzelfde was, met weinig verschil. In andere onderzoeken nam de vermoeiingssterkte toe na een warmtebehandeling om de restspanning te verwijderen, maar de toename was veel lager dan 12,5%.

Vergelijkbare resultaten werden gevonden in de testen van stootvoegmonsters met vlakslijpen. Sommige testen toonden aan dat de vermoeiingssterkte kon worden verhoogd met 17% na warmtebehandeling, terwijl andere geen verbetering toonden.

Deze kwestie is enige tijd een bron van verwarring geweest. Een serie tests onder wisselende belasting uitgevoerd door wetenschappers in de voormalige Sovjet-Unie hielp echter om het probleem op te helderen. Vooral Trufyakov's onderzoek naar het effect van lasrestspanning op de vermoeiingssterkte van verbindingen onder verschillende spanningscycluskarakteristieken is opmerkelijk.

De tests werden uitgevoerd met 14Mn2 gewoon laaggelegeerd constructiestaal en betroffen een transversale stuiklas op het monster, met aan beide zijden een longitudinale lasrups.

Eén groep monsters onderging een warmtebehandeling om restspanningen na het lassen te elimineren, terwijl de andere groep geen behandeling onderging. De vermoeiingssterktevergelijkingstest werd uitgevoerd met drie spanningscyclus karakteristieke coëfficiënten, r = -1, 0, en +0,3.

Onder wisselende belasting (r = -1) was de vermoeiingssterkte van het monster met weggenomen restspanning bijna 130 MPa, terwijl het monster zonder eliminatie een vermoeiingssterkte van slechts 75 MPa had.

Onder pulserende belasting (r = 0) was de vermoeiingssterkte van beide groepen monsters gelijk, op 185 MPa.

Bij r = 0,3 was de vermoeiingssterkte van het monster met restspanning geëlimineerd door warmtebehandeling 260 MPa, iets lager dan het monster zonder warmtebehandeling, dat een vermoeiingssterkte van 270 MPa had.

De belangrijkste redenen voor dit fenomeen zijn:

Wanneer de r-waarde hoog is, zoals onder pulserende belasting (r = 0), is de vermoeiingssterkte hoog en komt de restspanning snel vrij onder invloed van hoge trekspanning, waardoor de invloed van restspanning op de vermoeiingssterkte afneemt. Wanneer r toeneemt tot 0,3, neemt de restspanning nog verder af onder belasting en heeft geen effect op de vermoeiingssterkte.

De warmtebehandeling elimineert niet alleen de restspanning, maar maakt het materiaal ook zachter, wat leidt tot een afname van de vermoeiingssterkte na de behandeling.

Deze test toont de invloed aan van restspanning en materiaalveranderingen veroorzaakt door de thermische lascyclus op de vermoeiingssterkte. Het geeft ook aan dat de invloed van lasrestspanning op de vermoeiingssterkte van een lasverbinding gerelateerd is aan de spanningscycluskarakteristieken van de vermoeiingsbelasting. Wanneer de cycluskarakteristieke waarde laag is, is de invloed relatief groot.

Eerder werd opgemerkt dat, als gevolg van restspanning die de materiaalrendement punt in een structurele las, in een verbinding met een constante amplitude spanningscyclus, zal de werkelijke spanningscyclus nabij de las onder het vloeipunt van het materiaal vallen, ongeacht de oorspronkelijke cycluskenmerken.

Bijvoorbeeld, de nominale spanningscyclus zou +S1 tot -S2 moeten zijn, met een spanningsbereik van S1 + S2. Het werkelijke spanningscyclusbereik in de verbinding zal echter van sy (spanningsamplitude op het vloeipunt) tot SY-(S1 + S2) zijn.

Dit is een cruciale factor om te overwegen bij het bestuderen van de vermoeiingssterkte van lasverbindingen, waardoor sommige ontwerpcodes de cyclische karakteristiek r vervangen door het spanningsbereik.

Bovendien hebben de grootte van het proefstuk, de belastingsmodus, de spanningscyclusverhouding en het belastingsspectrum ook een significante invloed op de vermoeiingssterkte.

3. Procesmethode voor het verbeteren van de vermoeiingssterkte van de gelaste structuur

De initiatie van vermoeiingsscheuren in lasverbindingen vindt meestal plaats bij de laswortel en de laseinde. Als het risico van initiatie van vermoeiingsscheuren bij de laswortel wordt beheerst, worden de meest kwetsbare punten in lasverbindingen geconcentreerd bij de laseinde.

Er zijn verschillende manieren om de vermoeiingssterkte van lasverbindingen te verbeteren:

① Verminder of elimineer lasfouten, vooral openingen;

② Verbeter de geometrie van de lastoevoeging en verlaag de spanningsconcentratiefactor;

③ Het restspanningsveld van het lassen aanpassen om een restdrukspanningsveld te produceren. Deze verbetermethoden kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën, zoals weergegeven in Tabel 1.

De optimalisatie van de lasproces verbetert niet alleen de vermoeiingssterkte van de gelaste structuur, maar verbetert ook de statische belastingssterkte en de metallurgische eigenschappen van de lasverbindingen. Er is een grote hoeveelheid gegevens over dit onderwerp, die hier niet herhaald zal worden.

Tabel 1 verbetermethoden voor vermoeiingssterkte van gelaste constructies

De primaire methoden voor het verbeteren van de vermoeiingssterkte van lasverbindingen worden in detail besproken in drie delen, met de nadruk op procesmethoden.

3.1 Methoden om de geometrie van de lasteen te verbeteren en spanningsconcentratie te verminderen

1) TIG-aanleren

Studies hebben aangetoond dat TIG-reparatie de vermoeiingssterkte van lasverbindingen aanzienlijk kan verbeteren, zowel in binnen- als buitenland. Het proces omvat het gebruik van TIG-lassen om het overgangsgedeelte van de lasnaad opnieuw te smelten, waardoor een gladde overgang ontstaat tussen de las en het basismetaal. Dit vermindert spanningsconcentratie en elimineert kleine niet-metalen slakinsluitsels, wat resulteert in een verbetering van de vermoeiingssterkte van de verbinding.

Het laspistool wordt gewoonlijk 0,5 tot 1,5 mm van de lastoe geplaatst tijdens het reparatieproces en het omgesmolten gebied moet schoon worden gehouden. Vooraf licht slijpen verbetert het resultaat.

Het is van cruciaal belang om het herarc-proces correct uit te voeren als de boog dooft tijdens het hersmelten, omdat dit de kwaliteit van de hersmolten lasrups beïnvloedt. De beste positie voor herarcering is over het algemeen 6 mm voor de lasrupsenkrater.

Onlangs heeft de International Welding Society samengewerkt met lasonderzoeksinstituten in verschillende Europese landen en Japan om een gezamenlijke studie uit te voeren naar de doeltreffendheid van methoden om de vermoeiingssterkte van verbindingen te verbeteren. De monsters werden voorbereid door het British Welding Research Institute.

Het onderzoek bevestigde dat de nominale vermoeiingssterkte van de verbinding na 2×10⁶ cycli werd verhoogd met 58% na behandeling met deze methode. Deze nominale waarde van 211MPa vermoeiingssterkte komt overeen met een karakteristieke waarde (K-index) van 144MPa. Deze waarde overtreft de hoogste FAT-waarde in de verbindingsdetails vermoeiingssterkte vastgesteld door de International Welding Society.

2) Bewerking

Bewerking van het lasoppervlak kan de spanningsconcentratie sterk verminderen en de vermoeiingssterkte van de stuikverbinding verbeteren. Als de las geen defecten vertoont, kan de vermoeiingssterkte zelfs die van het basismetaal overtreffen. Bewerking is echter een duur proces en moet alleen worden uitgevoerd als de voordelen de kosten rechtvaardigen.

In het geval van lassen met aanzienlijke defecten en zonder onderlas, is de spanningsconcentratie bij het defect of de laswortel veel ernstiger dan aan de oppervlakte, waardoor machinale bewerking zinloos is. Als er geen inbrandingsdefect is, zullen vermoeiingsscheuren niet ontstaan bij de wapening en de lasteen, maar zich verplaatsen naar de laswortel. In dergelijke gevallen kan machinale bewerking de vermoeiingssterkte van de las daadwerkelijk verminderen.

Alleen de lasspiegel slijpen, in plaats van het hele lasmetaal, kan ook de vermoeiingssterkte van de las verbeteren. Onderzoek heeft aangetoond dat het scheurinitiatiepunt zich in dit scenario verplaatst van de laseenheid naar de lasnaad. lasdefect.

Vermoeiingssterktetests uitgevoerd door Makorov uit de voormalige Sovjet-Unie op staal met hoge sterkte (treksterkte σb = 1080MPa) toonden aan dat de vermoeiingssterkte van dwarse stuiklassen onder wisselende belasting ± 150MPa was na 2×10⁶ cycli zoals gelast. Het bewerken van de las en het verwijderen van de wapening verhoogde de vermoeiingssterkte tot ± 275MPa, gelijk aan de vermoeiingssterkte van het basismetaal. Plaatselijk slijpen aan de punt van de stuiklas resulteerde in een vermoeiingssterkte van ± 245MPa, gelijk aan 83% van het bewerkingseffect en een verbetering van 65% ten opzichte van de gelaste toestand.

Het is belangrijk om op te merken dat de juiste techniek moet worden gebruikt bij het bewerken of slijpen om de gewenste verbetering van de vermoeiingssterkte te garanderen.

3) Slijpschijf slijpen

Slijpen met een slijpschijf is misschien niet zo effectief als machinale bewerking, maar het is nog steeds een nuttige methode om de vermoeiingssterkte van lasverbindingen te verbeteren. De International Welding Society beveelt het gebruik aan van een elektrische of hydraulisch aangedreven slijpschijf met een hoge snelheid van 15.000 tot 40.000 RPM, gemaakt van koolstof wolfraammateriaal. De diameter van de schijf moet ervoor zorgen dat de slijpdiepte en straal gelijk zijn aan of groter zijn dan 1/4 van de plaatdikte.

Recent onderzoek door de International Welding Society toonde aan dat de nominale vermoeiingssterkte van het monster na 2 cycli toenam met 45% na het slijpen. De nominale waarde van 199 MPa vermoeiingssterkte komt overeen met een karakteristieke waarde (135 MPa), die hoger is dan de hoogste FAT-waarde in de verbindingsdetails vermoeiingssterkte vastgesteld door de International Welding Society.

Het is belangrijk op te merken dat de slijprichting moet overeenkomen met de richting van de spanningslijn. Slijpen in een andere richting kan een inkeping achterlaten die loodrecht op de spanningslijn staat, wat effectief werkt als een spanningsconcentratiebron en de vermoeiingssterkte van de verbinding vermindert.

4) Speciale elektrode methode

Deze methode omvat de ontwikkeling van een nieuw type elektrode. Het vloeibare metaal en de vloeibare slak hebben een hoge bevochtigbaarheid, wat de overgangsradius van de las verbetert, de hoek bij de lasteen verkleint, de spanningsconcentratie bij de lasteen vermindert en de vermoeiingssterkte van de lasverbinding verbetert.

Net als TIG lasreparatie heeft het een sterke voorkeur voor bepaalde lasposities, met name vlak- en hoeklassen, terwijl de voordelen aanzienlijk minder zijn voor verticaal, horizontaal en verticaal lassen. lassen boven het hoofd.

3.2 Methode voor het aanpassen van het restspanningsveld om drukspanning te produceren

1) Methode met voorbelasting

Wanneer een trekbelasting wordt uitgeoefend op een proefstuk met spanningsconcentratie totdat rek optreedt bij de kerf, resulterend in enige trekplastische vervorming, zal na het ontladen drukspanning worden opgewekt op de plaats van de trekplastische vervorming in de buurt van de belaste kerf. De trekspanning onder het vloeipunt zal worden gecompenseerd in andere delen van het proefstuk.

Bij latere vermoeiingstesten zal het spanningsbereik van het proefstuk dat deze behandeling ondergaat verschillen van dat van het originele proefstuk zonder voorspanning en zal het aanzienlijk verminderen. Dit kan de vermoeiingssterkte van lasverbindingen verbeteren.

Onderzoek toont aan dat een voorspanningstest nodig is voordat grote gelaste constructies, zoals bruggen en drukvaten, in gebruik worden genomen. Dit zal hun vermoeiingsprestaties verbeteren.

2) Plaatselijke verwarming

Lokale verhitting kan het restspanningsveld tijdens het lassen aanpassen, waardoor op spanningsconcentratiepunten drukreserve ontstaat die de vermoeiingssterkte van de verbinding kan verbeteren. Momenteel is deze methode alleen toepasbaar op longitudinale discontinue lassen of verbindingen met longitudinale verstijfde platen.

Voor enkelzijdige hoekplaten is de verwarmingspositie meestal ongeveer 1/3 van de plaatbreedte vanaf de las. Voor dubbelzijdige hoekplaten is de verwarmingspositie het midden van de plaat. Dit genereert drukspanning in de las, waardoor de vermoeiingssterkte van de verbinding toeneemt.

Verschillende onderzoekers hebben verschillende resultaten verkregen met deze methode. Voor enkelzijdige hoekplaten nam de vermoeiingssterkte toe met 145-150%, terwijl voor dubbelzijdige hoekplaten de vermoeiingssterkte toenam met 70-187%.

De positie van plaatselijke verwarming heeft een aanzienlijke invloed op de vermoeiingssterkte van de las. Puntverwarming aan het uiteinde van de las veroorzaakt drukresidus bij de inkeping en verhoogt de vermoeiingssterkte met 53%. Echter, puntverwarming in het midden van het proefstuk aan het laseinde, met dezelfde afstand van het laseinde, heeft hetzelfde metallografische effect maar veroorzaakt trekrestspanning, wat resulteert in dezelfde vermoeiingssterkte als het onbehandelde proefstuk.

3) Extrusiemethode

Het lokale extrusiemechanisme is vergelijkbaar met de puntverwarmingsmethode, in die zin dat het de vermoeiingssterkte van de verbinding verbetert door het genereren van drukresidus. Het werkingspunt verschilt echter en de extrusiepositie moet daar zijn waar drukresidus gewenst is.

De extrusiemethode heeft een significanter effect op staalmonsters met een hoge sterkte dan op staal met een laag koolstofgehalte.

4) De methode van Gurnnert

Gunnert stelde een methode voor om bevredigende resultaten te verkrijgen vanwege de moeilijkheid om de verwarmingspositie en temperatuur nauwkeurig te bepalen bij de lokale verwarmingsmethode. De sleutel tot deze methode is om de inkeping direct te verhitten, in plaats van de omgeving, tot een temperatuur die plastische vervorming kan veroorzaken maar lager is dan de fasetransformatietemperatuur van 55°C of 550°C, en dan snel af te koelen.

Het late afkoelen van het metaal onder het oppervlak en het omringende metaal dat niet afgekoeld is, zal krimp veroorzaken en drukspanning genereren op het afgekoelde oppervlak. Deze drukspanning kan de vermoeiingssterkte van het onderdeel verhogen.

Het is belangrijk om op te merken dat het verwarmingsproces langzaam moet verlopen om de onderste laag te verwarmen. Gunnert raadt een opwarmtijd van 3 minuten aan, terwijl Harrison 5 minuten aanbeveelt.

Ohta voorkwam met deze methode met succes vermoeiingsscheuren in stompe pijpen. De buitenkant van de pijpleiding werd verwarmd door inductie en de binnenkant werd gekoeld door water te laten circuleren, waardoor er drukspanning in de pijpleiding werd opgewekt en effectief werd voorkomen dat er vermoeiingsscheuren zouden ontstaan. Na de behandeling werd de vermoeiingsscheurgroeisnelheid van de stuiklaspijp sterk verminderd en bereikte dezelfde scheurgroeisnelheid als het basismetaal.

3.3 Methoden om spanningsconcentratie te verminderen en drukspanning op te wekken

1) Hamermethode

Hameren is een koudbewerkingsmethode die drukspanning creëert op het oppervlak van de lasteen in een las. De effectiviteit van deze methode hangt af van de plastische vervorming op het oppervlak van de lasteen.

Bovendien kan hameren de kerfscherpte en dus de spanningsconcentratie verminderen, wat leidt tot een aanzienlijke verbetering van de vermoeiingssterkte van de lasverbinding. De International Welding Society beveelt een hamerslagdruk van 5-6 Pa aan.

De bovenkant van de hamerkop moet stevig zijn met een diameter van 8-12 mm en het wordt aanbevolen om vier inslagen te gebruiken om een hamerdiepte van 0,6 mm te garanderen.

Onderzoek door de International Welding Society toont aan dat voor niet-dragende T-verbindingen, hameren de vermoeiingssterkte verhoogt met 54% onder 2×10⁶ fietsen.

2) Shot peening

Shot peening is een andere vorm van hameren en is een soort slagbewerking. De effectiviteit van shotpeening hangt af van de shotpeendiameter. De diameter moet niet te groot zijn om kleine defecten aan te pakken, maar ook niet te klein om een bepaald niveau van koude harding te bereiken. Bij shotpeening kan het oppervlak meestal tot een paar duizendste millimeter diep worden bewerkt.

Onderzoek toont aan dat shot peening de vermoeiingssterkte van staalverbindingen met hoge sterkte aanzienlijk kan verbeteren en een bijzonder sterk effect heeft op argon booglassen staalmaterialen met hoge sterkte, die zelfs TIG-reparatie overtreffen. Het gebruik van shotpeening kan ook de impact van TIG-fusiereparatie verbeteren.

4. De nieuwste technologie om de vermoeiingssterkte van lasverbindingen te verbeteren

4.1 Ultrasone impactbehandelingsmethode

De laatste jaren is ultrasone impact ontwikkeld als middel om de vermoeiingssterkte van lasverbindingen en -constructies te verbeteren. Het mechanisme is vergelijkbaar met dat van hameren en shotpeening.

Ultrasone impact heeft echter voordelen zoals een laag gewicht, goede controle, flexibel en handig gebruik, minimaal geluid, hoge efficiëntie, minder beperkingen in de toepassing, lage kosten en energiezuinigheid. Het is geschikt voor alle soorten verbindingen en is een effectieve methode om de vermoeiingsprestaties van lasverbindingen na het lassen te verbeteren.

Er werden studies uitgevoerd met ultrasone impactbehandeling op stuikverbindingen en niet-dragende longitudinale hoekverbindingen van verschillende typische gelaste constructiestalen. Vervolgens werden vergelijkende vermoeiingstesten uitgevoerd op zowel ongelaste als impactbehandelde verbindingen. De resultaten, weergegeven in tabel 2, geven aan dat de vermoeiingssterkte van gelaste verbindingen met 50-170% toenam na ultrasone impactbehandeling.

Tabel 2 Vergelijking van vermoeiingssterkte voor en na ultrasone impactbehandeling

4.2 Puntlasstripmethode met lage faseverandering

4.2.1 Principe en ontwikkeling van het verbeteren van de vermoeiingssterkte van lasverbindingen

Drukspanning kan de vermoeiingssterkte van lasverbindingen verbeteren, wat in de literatuur veel besproken is. De uitdaging ligt echter in hoe je eenvoudig drukspanning in lasverbindingen kunt introduceren.

Het is bekend dat de chemische samenstelling, de legeringinhoud en de koelsnelheid kunnen leiden tot verschillende microstructurele veranderingen tijdens het afkoelingsproces van ijzer- en staalmaterialen. Deze structurele veranderingen gaan gepaard met volume-expansie, die fasetransformatiespanning kan veroorzaken wanneer deze wordt tegengehouden, wat leidt tot drukspanning.

Voor lasmetaal vermindert dit de restspanning en resulteert zelfs in restdrukspanning, waardoor de mechanische eigenschappen van lasverbindingen verbeteren.

Laselektrode met lage transformatietemperatuur (LTTE) is een nieuwe lasmateriaal die fasetransformatiespanning gebruikt om drukspanning te produceren in lasverbindingen en hun vermoeiingssterkte te verbeteren.

Al in de jaren 1960 stelden lasexperts in de voormalige Sovjet-Unie de methode van lage fasetransformatie voor puntlassen strip om de vermoeiingssterkte van gelaste constructies te verbeteren, hoewel de term "puntlasstrip met lage fasetransformatie" in die tijd niet werd gebruikt en gewoon een speciale elektrode werd genoemd.

De verharding metaalsamenstelling bestaat voornamelijk uit 3-4% Mn om de fasetransformatietemperatuur te verlagen en metallurgische fasetransformatie te bereiken. Uit de literatuur blijkt dat de vermoeiingssterkte van kleine proefstukken na het aanbrengen van de oppervlakte met deze speciale elektroden 75% hoger is dan zonder oppervlaktebehandeling.

Onlangs heeft de ontwikkeling van ultra-lage koolstofstaal en het gebruik van Cr en Ni om de martensitische transformatie temperatuur van neergeslagen metaal in lasmaterialen te verlagen geleid tot snelle vooruitgang in lage transformatie puntlassen strip.

Zowel Japan als China hebben uitgebreid onderzoek gedaan op dit gebied, hoewel het zich nog in het laboratoriumstadium bevindt.

4.2.2 Effect van LTTE-elektrode op het verbeteren van de vermoeiingssterkte

De School of Materials van de Universiteit van Tianjin heeft de LTTE-laselektrode (Low Transformation Temperature Welding Electrode) ontworpen en geoptimaliseerd en uitgebreide vermoeiingstests en procesprestatietests uitgevoerd op verschillende lasverbindingen.

(1) LTTE-methode

De LTTE-laselektrode (Low Transformation Temperature Welding Electrode) en de gewone elektrode E5015 werden gebruikt voor het lassen van de transversale stootvoeg, de niet-dragende kruisvoeg, de longitudinale circumferentiële hoekvoeg, de longitudinale parallelle hoekvoeg, de longitudinale hoekvoeg, de longitudinale parallelle hoekvoeg en de lasnaad. hoeklasverbindingen respectievelijk een stootverbinding in de lengterichting. Er werd een vergelijkende vermoeiingstest uitgevoerd.

De resultaten geven aan dat de vermoeiingssterkte van de LTTE-verbinding van de faseveranderingsspot lasstaaf was 11%, 23%, 42%, 46% en 59% hoger dan die van de gewone elektrode E5015. De vermoeiingslevensduur werd verhoogd van enkele keren tot honderden keren.

Tabel 3 Verbeteringseffect van vermoeiingssterkte van verschillende soorten lasverbindingen

Aangezien de laselektrode met lage transformatietemperatuur (LTTE) restdrukspanning creëert door de volume-expansie van martensitische transformatie bij een lagere temperatuur, is de grootte van de restdrukspanning nauw verbonden met de begrenzing van de lasverbinding.

Hoe meer spanning er op de lasverbinding staat, hoe groter de restdrukspanning en hoe significanter de verbetering van de vermoeiingssterkte.

(2) LTTE-bewerkingsmethode voor puntlassen met lage fasetransformatie

Het toevoegen van meer legeringselementen aan de lasmaterialen om martensitische transformatie te bereiken bij een normale koelsnelheid en lage temperatuur, verhoogt de kosten van LTTE (Low Transformation Temperature Welding Electrode) aanzienlijk. Als alle lassen in een gelaste constructie worden gemaakt met lasmaterialen met lage faseverandering, zullen de totale kosten van de constructie ook aanzienlijk hoger zijn, waardoor het economisch niet haalbaar is.

Het is bekend dat de vermoeidheidsfractuur in lasverbindingen treedt meestal op bij de lasevoeg. Als er restdrukspanning wordt opgewekt bij de lasevoeg, kan de vermoeiingssterkte van de lasverbinding worden verbeterd zonder alle puntlasstroken met lage faseverandering te gebruiken, waardoor de materiaalkosten worden verlaagd.

Met dit idee in het achterhoofd stelde de universiteit van Tianjin de methode van LTTE (Low Transformation Temperature Welding Electrode) toe dressing voor om de vermoeiingssterkte van lasverbindingen te verbeteren, gebaseerd op experimentele resultaten. De vermoeiingssterkte van LTTE-dressing en gewone elektrode lasverbindingen werd vergeleken aan de hand van twee soorten niet-dragende kruisverbindingen en longitudinale circumferentiële hoeklasverbindingen. De vermoeiingssterkte van de eerstgenoemde was respectievelijk 19,9% en 41,7% hoger dan de laatstgenoemde, wat de haalbaarheid en uitvoerbaarheid van het idee bewees.

Dit vooronderzoek biedt een redelijkere toepassing van LTTE (Low Transformation Temperature Welding Electrode) in de engineeringpraktijk.

Tegelijkertijd kan de teenlasnaad van de LTTE-laselektrode (Low Transformation Temperature Welding Electrode) ook de toepassing ervan weerspiegelen in deknaden en lasrupsen in de buurt van de teen.

4.2.3 Avoor- en nadelen van puntlasstrip met lage faseverandering

Voordeel:

(1) De LTTE-methode (Low Transformation Temperature Welding Electrode) wordt uitgevoerd tijdens het lasproces, waardoor er geen nabewerking nodig is.

(2) De LTTE-methode vereist geen speciale bedieningsvaardigheden en is daarom eenvoudig en gemakkelijk te gebruiken.

(3) Door gebruik te maken van LTTE (Low Transformation Temperature Welding Electrode) kan de vermoeiingssterkte van lasverbindingen verbeterd worden. Omdat het niet beïnvloed wordt door de thermische effecten van latere lasrupsen, is het zeer geschikt voor het verbeteren van de vermoeiingssterkte van verborgen lassen, bedekte lassen, achterlassen van enkelzijdig lassen en andere lassen die na het lassen niet bewerkt kunnen worden.

(4) De LTTE-elektrode kan ook worden gebruikt om vermoeiingsscheuren in gelaste constructies te repareren.

Nadelen:

Het toevoegen van meer legeringselementen aan de lasmaterialen verhoogt de kosten van LTTE-materialen (Low Transformation Temperature Welding Electrode), maar dit kan gecompenseerd worden door LTTE-dressing en andere methoden te gebruiken.

5. Conclusie

Concluderend kunnen we stellen dat de dynamische belastbaarheidseisen voor gelaste constructies zijn toegenomen omdat ze worden gebruikt voor hoge snelheden en zware belastingen. Daarom is het ontwikkelen en gebruiken van nieuwe technologieën om de vermoeiingsprestaties van lasverbindingen te verbeteren cruciaal voor een bredere toepassing van gelaste constructies.

Zowel ultrasone inslagtechnologie als het gebruik van LTTE (Low Transformation Temperature Welding Electrode) om de vermoeiingssterkte van lasverbindingen te verbeteren, zijn belangrijke onderzoeksrichtingen op het gebied van de verbetering van vermoeiingsprestaties en het proces van gelaste constructies.