基于网格不敏感结构应力的铝合金焊接接头疲劳性能分析

基于网格不敏感结构应力方法,对3A21、5A06、6061等铝合金焊接接头疲劳性能及影响因素进行研究.结果表明：网格不敏感结构应力方法较传统的名义应力方法,能更好地表征不同接头形式、材料、应力比及厚度等因素对焊接接头的疲劳影响.在应力比相同的情况下,接头板厚越小,疲劳性能越好;相同板厚条件下,应力比越小,疲劳性能越好;5A06铝合金焊接接头的疲劳性能普遍高于3A21铝合金焊接接头,但板厚相差较大时,疲劳性能主要取决于厚度因素的影响;同种材料在板厚及应力比相同的情况下,对接接头疲劳性能最好,十字接头次之,T型接头疲劳性能最差.     

补焊次数对S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳性能和组织的影响

针对铁路客车焊接转向架的T型焊接接头,通过对未补焊接头、以及补焊一次、两次、三次、四次的焊接接头进行试验,总结出补焊次数对焊接转向架T型接头疲劳性能和显微组织的影响,为铁路客车转向架的工艺制定和可靠性提供了技术理论与实践数据支持.试验结果表明:一次、二次补焊对S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳强度影响不大,而三次及以上补焊次数会稍微降低S355J2W+N低合金钢T型接头疲劳强度,不同补焊次数对显微组织无明显影响.     

焊接修复对铁素体不锈钢焊接接头组织和性能的影响

通过拉伸、弯曲、冲击、硬度、金相组织分析等试验,对不同焊修次数T4003铁素体不锈钢焊接接头的组织和性能进行研究.试验结果表明:焊修一、二次对T4003铁素体不锈钢焊接接头的抗拉、弯曲和冲击性能均影响不大;不同焊修次数T4003铁素体不锈钢焊缝的显微组织为奥氏体+δ铁素体;熔合区的显微组织为铁素体+马氏体,晶粒粗大;母材的显微组织为块状铁素体,沿轧制方向成条状分布.焊接修复对T4003铁素体不锈钢焊接接头的粗晶区宽度、晶粒度与马氏体含量的影响不大.不同焊修次数T4003铁素体不锈钢焊接接头焊缝的显微硬度相近,母材显微硬度大致相同,热影响区显微硬度的变化不大.     

矩形管接头疲劳失效位置预测及应力因子分析

为解决复杂焊接接头的抗疲劳设计,依据BS7608标准中的名义应力法和ASME标准中的结构应力法及BS EN15085-3标准中的焊接结构疲劳设计要求,研究矩形管接头的疲劳问题.首先,研究标准中的疲劳寿命预测方法以及涉及的名义应力与结构应力的区别与联系;接着,利用某矩形管接头的有限元分析模型,研究沿接头焊缝应力的分布规律及影响因素,结果表明:与最大主应力和Von. Mises应力分布规律不同,矩形管接头沿焊缝结构应力最大值发生在焊缝拐角焊趾处,与其疲劳试验中接头失效位置一致;位于焊趾表面的、具有高应力梯度变化的区域内名义应力对单元尺寸表现出强的敏感性,而在能够表示焊缝轮廓的模型中描述整个断裂截面的结构应力则对单元尺寸变化不敏感.最后,基于名义应力法和结构应力法对矩形管接头焊缝进行应力因子分析,结果表明:管接头失效位置的应力因子最大值大于0.90,应力等级为高.     

斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理,建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型;通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程,将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中;基于扩展有限元法,在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力,其最大值接近钢材的屈服强度,焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略;后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布,在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时,需模拟多道焊缝的焊接全过程;在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下,按复合型裂纹扩展的工程准则,顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值,均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展;在多场耦合作用下,过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略;过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹;建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

7A52铝合金焊接及其接头表面纳米化研究现状

7A52铝合金作为一种典型的Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金,因具有优良的力学性能和较高的比强度而被广泛应用于飞机、火箭、舰船和轻型装甲车辆等的结构件上。该合金在实际应用过程中常以焊接件的形式存在。但由于铝合金熔点低、热传导系数较大、热膨胀率高,所以采用常规熔化焊工艺焊接时,容易出现焊缝裂纹、气孔、焊接接头软化等缺陷;而且,焊接接头的不均匀性是其在服役中失效的主要原因。因此,如何提高焊接接头的强度,实现焊接接头组织性能的均一化是高强铝合金焊接需解决的关键问题之一。采用表面纳米化技术有望解决这一问题,提高焊接接头的综合性能。为此,本文综述了国内外近几年来的研究成果,在对7A52铝合金进行概述的基础上,着重对比介绍了该合金双丝MIG焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、激光焊、等离子焊以及各种复合焊接的研究进展;同时,详细介绍了金属及其焊接接头表面纳米化的国内外研究现状,着重介绍了利用高能喷丸和超声冲击处理实现表面纳米化并提高焊接疲劳强度的研究现状和发展趋势。指出提高接头强度系数是将来铝合金焊接的重点研究方向,而超声冲击处理技术是实现焊接接头表面纳米化的重要手段之一。     

高强钢对接接头焊趾应力集中系数有限元分析

基于热弹-塑性理论,建立了RQT701高强钢对接接头焊接残余应力有限元分析模型,在此基础上计算了其焊接残余应力,并与实测值进行了比较。同时讨论了焊缝几何参数对对接接头焊趾处应力集中系数(SCF)的影响。研究结果表明:RQT701高强钢对接接头中残余应力对应力集中系数的影响较大,尤其是在低应力情况下受应力水平变动影响较大;减小焊趾倾角,增大过渡圆弧半径,可以减缓焊趾处截面形状的变化,显著改善接头焊趾处的应力集中;随着板厚的增加应力集中系数随之增大。     

两种焊接工艺下过共析钢轨接头的冲击磨损性能

为研究闪光焊、铝热焊两种焊接工艺下过共析钢轨焊接接头的冲击损伤演变行为以及性能差异,在自制的冲击磨损试验机上对过共析钢轨焊缝、热影响区软化部位及母材进行了不同冲击次数下的模拟实验.研究结果表明:随着冲击次数的增加,钢轨焊接接头的冲击磨损均经历着塑性变形、点蚀破坏和疲劳剥落的过程,冲击损伤是疲劳磨损和氧化磨损共同作用的结...     

铝合金6063焊接接头性能分析

本文通过对铝合金6063焊接前后材料机械性能、耐腐蚀性能等的测试,分析了该合 金焊后接头性能发生变化的原因。结果表明:6063铝合金具有良好的工艺可焊性和耐 大气腐蚀性能,但焊后热影响区发生了软化,强度下降较大,自然时效能力较差.焊后 固溶处理和人工时效处理在一定程度上是提高接头机械性能必要而有效的手段.      

焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用

铁路客车209T型转向架焊接构架横梁腹板与侧梁下盖板的焊缝出现的疲劳裂纹直接影响行车安全.采用美国ASME标准中的<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>,对该处焊缝进行了有限元分析,分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中,也计算了该处焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命与损伤.疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合.基于这一方法,对改进设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算,结果表明:改进方案显著地提高了该处的抗疲劳破坏能力.上述研究与验证表明:<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>突破了传统名义应力法的局限性,在机车车辆焊接结构抗疲劳设计过程中,具有重要工程推广价值.     

阀片表面喷丸强化工艺

为解决厚度不足1mm的薄型压缩机阀片，在通常的喷丸工艺下很容易产生过大的变形和粗糙度过大而报废的问题，进行了玻璃弹丸的喷丸工艺方法提高阀片疲劳性能的实验研究，并测试分析了阀片变形、表面粗糙度、残余应力以及表面硬度等主要影响阀片疲劳寿命的因素，研究表明，玻璃弹丸的喷丸处理，可保证较小的阀片变形、使表面粗糙度降低、并在表层产生压应力，可有效提高压缩机阀片的疲劳寿命     

表面微喷丸对CuNi2Si合金疲劳短裂纹行为影响

在拉压载荷作用下，分别开展了CuNi₂Si合金微喷丸前后漏斗型圆棒试样的疲劳短裂纹复型试验；试验在预先确定的一系列载荷循环周次中断，以使用醋酸纤维膜对试样表面进行复型，进而采用逆序观察法获取了短裂纹萌生与扩展相关数据。分析结果表明:2种试样疲劳裂纹均萌生于试样表面，裂纹扩展受微观组织影响呈现曲折性增长, 整体表现出初期增长缓慢，后期裂纹长度迅速增长至试样断裂的趋势, 失稳扩展临界尺度约为750.0 μm; 微喷丸处理可以使裂纹增长模式由以晶间为主转为以穿晶为主，微喷丸前后断口形貌表现出巨大差异，相对未喷丸试样，微喷丸试样裂纹萌生位置呈现较大的晶体平面，无明显晶粒特征，裂纹源区面积较小，在疲劳过程中产生的纤维条纹数量较多，瞬断区韧窝形貌更为明显; 经微喷丸处理后，试样平均疲劳寿命提高约31.5倍，裂纹萌生和缓慢扩展阶段占比从整体疲劳寿命的60%增加至80%，可知微喷丸处理对于疲劳寿命的大幅提高主要体现在短裂纹的萌生和稳定扩展阶段，而这种强化效果主要受表面有效应力、硬度、晶界数目的共同影响，但该强化效果对疲劳裂纹扩展后期影响不大。      

焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用

铁路客车209T型转向架焊接构架横梁腹板与侧梁下盖板的焊缝出现的疲劳裂纹直接影响行车安全.采用美国ASME标准中的《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》,对该处焊缝进行了有限元分析,分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中,也计算了该处焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命与损伤.疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合.基于这一方法,对改进设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算,结果表明：改进方案显著地提高了该处的抗疲劳破坏能力.上述研究与验证表明：《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》突破了传统名义应力法的局限性,在机车车辆焊接结构抗疲劳设计过程中,具有重要工程推广价值.     

钢板喷丸处理残余应力场和表面粗糙度数值模拟

为了揭示钢板喷丸处理后残余应力场以及表面粗糙度的分布规律,采用有限元软件ABAQUS建立了多丸模型,模拟了铸铁丸对桥梁用钢Q345钢板的喷射过程,对比分析了冲击速度、冲击次数和弹丸直径对喷丸后钢板水平向残余应力沿板厚的分布以及表面粗糙度的影响.研究结果表明,随着冲击速度、冲击次数以及弹丸直径的增加,残余压应力有均匀化的趋势,并且分布范围逐渐向厚度方向发展,同时表面粗糙度也随之逐渐增大.根据表面粗糙度随冲击次数的变化规律,建议采用对数函数来表示二者的关系,并给出了弹丸直径为1.4 mm情况下表面粗糙度值与喷丸速度和冲击次数的相互关系.      

基于热点应力法的矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳评估

为准确评估矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳性能, 引入热点应力法, 可通过平面杆系模型、空间杆系模型和三维实体模型计算节点焊趾处的热点应力幅, 并通过对52个节点疲劳试验数据回归分析, 拟合得到热点应力幅-循环次数曲线; 选取陕西黄延高速一座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为典型案例进行节点疲劳评估, 并对原有节点设计方案的构造进行优化。研究结果表明: 相比于墩顶矩形钢管混凝土节点, 跨中矩形钢管节点热点应力幅更大, 为60.1 MPa, 发生在主管表面, 但是小于欧洲规范Eurcode中的容许疲劳强度71 MPa, 满足疲劳设计要求; 对跨中疲劳易损节点进行设计构造优化, 原设计矩形钢管节点变为矩形钢管混凝土节点后, 管内混凝土改变了节点局部刚度, 使相贯线焊趾处应力分布均匀, 支、主管表面热点应力幅平均降低25.1%, 对原设计节点进行焊缝后处理, 可有效消除焊接初始拉应力, 改善节点疲劳性能, 支、主管表面热点应力幅平均降低14.9%;采用空间杆系模型对优化后的跨中矩形钢管混凝土节点进行疲劳评估, 支、主管表面最大热点应力幅分别为58.9、54.1 MPa, 大于三维实体模型计算得到的支管和主管表面最大热点应力幅45.2、47.1 MPa, 空间杆系模型计算结果偏保守, 且无法像三维实体模型一样准确计算不同热点位置的疲劳效应, 也无法准确判断疲劳开裂起始位置。      

基于喷丸随机模型的表面覆盖率计算方法

为了揭示金属结构表面喷丸处理过程中覆盖率的变化规律,通过分析喷丸随机模型的建模流程及靶材的喷丸后形貌,利用MATLAB软件开发了基于喷丸随机模型的覆盖率计算程序,并将此与传统覆盖率计算方法进行了对比.结果表明:以直径为1.0 mm,速率为50 m/s的弹丸对构件进行喷丸处理,当弹丸数目N20时,新方法（MATLAB法）与传统方法（PEEQ法和理论公式法）的计算结果较接近;随着弹丸数目的增加,在达到全覆盖之前,3种方法的计算覆盖率为CPEEQ Cth CMATLAB;全覆盖时,3种方法所对应的弹丸数目分别为100、140和190.      

纳米化对1Cr17不锈钢耐高温氧化的影响

喷丸处理可以使铁素体不锈钢1Cr17实现表面自身纳米化.对不同工艺的试样进行在高温空气介质中的耐氧化试验,结果表明1Cr17不锈钢经纳米化喷丸后,在氧化20 h后材料的表面可以形成一层富Cr的致密的内氧化物层,有效的防止了材料的进一步氧化.喷丸后又经过退火的试样,在氧化12 h时表面就形成了一层致密的内氧化物层,因为退火可以有效地释放因为喷丸而产生的压应力,可以更好地促进Cr向表面的扩散,更快的在合金表面形成富Cr的氧化物,从而显著提高了合金的抗高温氧化性.     

纳米化对1Cr17不锈钢耐高温氧化的影响

喷丸处理可以使铁素体不锈钢1Cr17实现表面自身纳米化.对不同工艺的试样进行在高温空气介质中的耐氧化试验,结果表明1Cr17不锈钢经纳米化喷丸后,在氧化20 h后材料的表面可以形成一层富Cr的致密的内氧化物层,有效的防止了材料的进一步氧化.喷丸后又经过退火的试样,在氧化12 h时表面就形成了一层致密的内氧化物层,因为退火可以有效地释放因为喷丸而产生的压应力,可以更好地促进Cr向表面的扩散,更快的在合金表面形成富Cr的氧化物,从而显著提高了合金的抗高温氧化性.     

基于结构应力的转向架构架焊缝疲劳强度研究

为了解决现行标准中转向架构架焊缝容许疲劳强度数据存在的问题,针对当前的各种结构应力方法和数据,就其在焊缝结构应力测试、容许应力幅、设计值存活率、平均应力修正、焊缝修整疲劳强度提高及极限容许应力确定等方面的关系和差异进行对比,并构建了Q345钢焊缝基于实测结构应力的疲劳图和S-N曲线. 结果表明:转向架构架焊缝结构应力的实测可沿用B12/RP17规定的方法,即采用6 mm长的应变片并将其前端紧靠焊趾边缘布置;建议借鉴IIW (International Institute of Welding) FAT100和FAT90两组基本数据,并应用其平均应力和焊缝修整疲劳强度提高的修正方法,构建更加合理的基于实测结构应力的焊缝容许疲劳强度数据;对于2 × 106次循环数对应的疲劳图,极限容许应力可参考DVS 1612规定的方法,由母材屈服极限除以相应的安全系数确定.      

海洋平台KK型管节点的疲劳性能试验研究

以某自升式海洋平台为研究对象,进行了空间KK型管节点在轴力作用下的疲劳性能的试验研究.通过对管节点模型的试验测试,得到了KK节点在轴力作用下沿着焊缝周围的热应力区内的热点应力分布及节点的应力集中系数,并采用S-N曲线法对KK型管节点的疲劳寿命进行估算.通过对比分析,指出了试验方法与规范计算方法在管节点疲劳性能分析上的差异性.