轨道车辆材料及其接头强度评估方法对比及优化建议

国内外标准对母材、热影响区、焊缝静强度与疲劳强度评估方法不同,文中对各标准进行了对比。各标准均存在问题,未规定点焊接头的疲劳强度;未提及或未正确规定冷作硬化不锈钢焊接接头的强度;实际焊接接头难以按照疲劳评估标准中的焊接接头清单对号入座;未规定车体与走行部连接位置的疲劳载荷,导致国内外多起车体开裂事故;规定异种金属坡口焊接接头取母材许用应力的较小值,未考虑通常一种焊丝用于所有异种金属焊接的实际情况,全焊缝金属、两侧母材之间强弱关系多样化;未焊透焊缝常按全焊透焊缝评估,角焊缝、塞焊、槽焊只校核对应节点的主应力是否超出焊缝/热影响区的许用应力,不考虑焊缝尺寸、剪应力和附加弯矩。根据项目经验,提出了优化建议。     

基于XFEM的残余应力场下SCC裂纹扩展特性研究

焊接残余应力是引发核电一回路安全端异种金属焊接接头应力腐蚀开裂的主要原因。借助ABAQUS软件中的扩展有限元方法(XFEM),利用预定义温度场加载法建立了残余应力场下异种金属焊接接头模型,基于最大主应力判定准则实现了材料的裂纹扩展模拟,初步探究了残余应力场下不同初始长度、不同位置裂纹的扩展规律。结果表明,在残余应力场下,裂纹扩展过程中扩展路径总是偏向于材料屈服极限较小的一侧,初始裂纹长度越短,其扩展能力越强;裂纹处材料区屈服极限越小,裂纹扩展能力越强,且材料交界处裂纹的扩展能力总是大于两侧材料区内部裂纹的扩展能力。     

基于XRD的Inconel 690和321不锈钢异种金属焊接残余应力测试与分析

某小型反应堆的异种金属环形焊接接头经由一百余道焊接后,会出现残余应力累计、变形严重等问题,影响焊接接头的抗应力腐蚀、抗疲劳破坏性能。采用X射线衍射法对该焊接接头表面残余应力测试,获得了环向、径向残余应力分布规律。结果表明:接头表面环向、径向残余应力基本呈现出拉应力状态,分布类似抛物线形状,呈现出中间高、两边低的形态;由于奥氏体不锈钢母材侧熔合线为典型的异种金属焊接区域,残余应力梯度明显偏大,焊缝有柱状晶的存在,焊缝中心处亦存在较大的应力梯度。     

主蒸汽压力取样管异种钢焊接接头开裂原因分析

为了避免发生机炉外小径管爆裂事故,以某电厂一次P91材质机外管异种钢焊接接头开裂为例,通过宏观检查、光谱分析、断口分析、金相分析、硬度检验以及管系应力分析对开裂原因进行了分析。结果显示：该取样管异种钢焊接接头失效机制为应力腐蚀开裂,且呈沿晶脆性断裂形态。保温层不严密致雨水流到管表面形成腐蚀环境,角焊缝焊址处二次应力严重超标,是导致管接头开裂的主要外在因素;管段硬度严重超标,组织异常,焊口未做焊后热处理,管接头热影响区脆性大,是导致管接头开裂的主要内在因素。     

Zr702合金焊接接头在沸腾硝酸中的腐蚀行为研究

研究了采用钨极氩弧焊（TIG）焊接的Zr702合金焊接接头在8 mol/L沸腾硝酸中的应力腐蚀、电化学腐蚀、均匀腐蚀行为及其失效机理。结果表明：TIG焊接后,Zr702合金焊接接头熔合区和热影响区晶粒发生粗化;热影响区产生残余拉应力,平行于焊缝的残余应力达到179.68 MPa,垂直于焊缝的残余应力达到134.94 MPa。Zr702合金焊接接头的均匀腐蚀速率比母材高50%,这是由于组织内存在的残余应力会诱导合金溶解腐蚀。在拉应力的作用下,Zr702合金焊接接头表面的钝化膜沿着垂直于拉应力方向开裂,表现为明显的解理断裂特征,导致接头的应力腐蚀敏感性升高,存在应力腐蚀开裂的风险。     

异种金属管道焊缝的修补焊残余应力

研究了异种金属焊接管道在修补焊前后残余应力的演化,以了解核电厂管道在修补焊后是否满足抗应力腐蚀开裂的要求。采用手工焊和自动焊技术进行了SA106B钢与Inconel 600合金异种金属管道的对接焊,在对原始焊缝进行了局部的打磨后,分别采用焊条电弧焊和钨极氩弧焊技术对打磨处进行了修补焊接。采用轮廓法对管道修补焊后状态下的环向和轴向焊接残余应力进行了测量,得到了管道的焊接残余应力分布。通过对异种金属管道修补焊接头的残余应力分析,确认了修补焊后最大残余应力小于415 MPa,可以满足相关抗应力腐蚀开裂的要求,研究结果对开展核电厂管道修补焊有较高的参考价值。     

321/690异种金属焊接接头的腐蚀疲劳行为研究

采用1/2紧凑拉伸(compact tension,CT)试样,研究了690镍基合金与321不锈钢异种金属焊接接头在同一温度下含氧和除氧两种环境下的裂纹扩展行为,以及在相同含氧量的情况下应力强度因子对焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明,含氧和除氧两种水环境中,裂纹扩展速率均随应力强度因子K的升高而升高,并且焊接接头在除氧环境中有较高的开裂敏感性。     

残余应力场下核电焊接接头应力腐蚀裂纹扩展特性研究

焊接残余应力是引发核电一回路安全端异种金属焊接接头应力腐蚀开裂(SCC)裂纹的主要应力来源。借助ABAQUS软件中的扩展有限元方法(XFEM),通过建立安全端焊接接头有限元模型,研究了残余应力场下裂纹的扩展规律,并利用子模型技术研究了裂纹尖端应力应变场分布规律。研究结果表明,随着裂纹的不断扩展,裂纹的长度增加,塑性变形的面积增加,裂纹偏移量增大。裂纹扩展初期,裂尖附近很大范围内存在较高的应力,随着裂纹的不断扩展,裂尖附近的应力不断减小。     

钛/铝异种金属FSW接头的氢扩散试验设计与研究

钛/铝异种金属焊接结构因兼具两种材料各自的优势,在航空航天、汽车制造等领域有着广阔的应用前景。但异种金属在涉海等潮湿环境中极易发生由电偶腐蚀引发的氢扩散问题,造成钛合金的氢致脆化。本文提供了一种基于丝束电极理念的异种金属焊接接头重构方法,可以实现异种金属焊接接头各个亚区之间的偶接测试。在此基础上设计了异种金属焊接接头的氢扩散行为监测装置,通过试验验证获得了氢在金属材料中的扩散系数、吸附氢浓度等参数,为揭示异种金属焊接结构的环境氢脆问题奠定了基础。提出的异种金属焊接接头氢渗透测试方法可以推广应用于铝/钢、镁/钢等异种金属焊接接头氢扩散行为的检测,为评价电偶腐蚀中的氢致脆化影响提供了理论指导,弥补了现有方法仅能研究阳极溶解行为的不足。     

激光冲击处理对X70管线钢焊接接头H_2S应力腐蚀影响

采用慢应变速率法(SSRT)进行了X70管线钢焊接接头在H2S介质中应力腐蚀试验,研究了H2S对X70管线钢焊接接头应力腐蚀开裂(SSCC)的敏感性,分析了激光冲击处理对X70管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀开裂SSCC行为的影响。结果表明,经激光冲击处理后X70管线钢焊接接头表面产生了晶粒细化和残余压应力,提高了管线钢焊接接头在NACE饱和H_2S溶液中抗应力腐蚀性能;原始状态试样在NACE饱和H_2S溶液中慢拉伸试验平均应力腐蚀敏感性指数>25%,有明显的应力腐蚀倾向;经激光冲击处理后试样在NACE饱和H_2S溶液中平均应力腐蚀敏感性指数为19.05%,应力腐蚀倾向不明显,因此,激光冲击处理有效地提高了X70管线钢焊接接头的抗应力腐蚀性能。     

单次超载对异种金属焊接接头应力腐蚀裂纹尖端力学场的影响

利用有限元软件研究了单次超载对异种金属焊接接头应力腐蚀裂纹扩展的影响。对由镍基合金182与高强度不锈钢A508组成的双材料焊接接头的裂尖应力、应变场进行了分析,得出裂尖在超载后产生的力学变化。结果表明:超载使材料发生屈服,产生残余压缩应力;随着超载系数增大,裂尖残余压缩应力值变大;对于此种双材料焊接接头,裂尖最大应变值出现在裂尖前方-45°和45°方向。     

T91/TP347HFG异种钢焊接接头裂纹原因分析

火电厂高温过热器用T91+TP347HFG异种钢焊接接头运行时,发生开裂泄露。分别从未开裂和开裂部分的焊接接头处取样,采用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计等对焊接接头试样进行检测和对比研究,分析其开裂原因。结果表明:焊接和焊后热处理工艺不当导致T91侧热影响区位置在整个焊接接头区域脆性较大,并有淬硬倾向比较大的组织出现;同时由于焊接规范参数较大而导致焊接热影响区较宽,在一定应力下的作用导致裂纹从此处萌生和扩展,最终导致该异种钢焊接接头开裂失效。     

Inconel 690/321不锈钢异种金属焊接接头静强度可靠性评估

基于实测的应力和强度数据，对Inconel 690/321不锈钢异种金属焊接接头开展静强度可靠性评估，应用应力强度干涉模型研究了焊接接头的静强度可靠度，以及焊接接头的可靠性安全系数。结果表明，在应力和强度服从正态分布的情况下，水压试验工况中焊接接头的静强度可靠度为0.999 93；另一方面，在焊接接头可靠度指标R=0.999 9条件下得可靠性安全系数为1.1。基于实测数据建立的焊接接头静强度可靠性评估方法，可以推广应用于类似焊接接头的强度设计与评估，达到安全系数精细化设计、结构减重的目的。     

核反应堆压力容器低合金钢与奥氏体不锈钢异种金属焊接研究现状

核电反应堆压力容器是核电站的核心设备之一,其安全性和可靠性对核电站的运行至关重要。在压力容器的制造中,涉及到低合金钢与奥氏体不锈钢的异种金属焊接。针对该异种金属焊接接头存在的组织不均匀性、元素扩散、应力腐蚀裂纹等问题,从焊接填充材料的选择和优化、可能应用的焊接方法、焊后热处理及工艺控制等方向探讨了解决措施与发展方向。为提高此类接头质量和可靠性的研究提供参考,从而确保核电站的安全运行。     

CAP1400核电站接管安全端焊接接头组织及成分过渡特征研究

核岛主设备接管安全端部位长期承受高温、高压的交变复杂应力作用。虽然690镍基合金焊缝金属具有优异的耐腐蚀和力学性能,但接管安全端异种金属成分的不均匀性与突变是影响焊接接头力学性能的重要因素,尤其是焊缝与母材过渡区存在显著的成分梯度,成为焊接接头的薄弱地带。采用扫描电子显微镜结合透射电子显微镜,系统研究了焊接接头熔合线界面附近的组织结构及相组成,并通过能谱分析研究了异种金属焊接接头的主要合金元素过渡特征。     

铝铜系合金焊接接头应力腐蚀开裂与工艺的相关性

铝合金在用于焊接结构时,由于焊接热循环的作用,出现了因过时效而导致接头热影响区的软化(即沉淀相分解析出)现象,不仅使得接头强度性能降低,同时由于组织的不均匀性和贫铜区的形成,易产生电化学腐蚀破坏,也使接头的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性显著增大,这是长期以来一直未获解决的工程实际问题。在此阐述了铝铜系合金焊接接头开裂的机理、接头应力腐蚀开裂的特点以及与焊接工艺的相关性。采用慢应变速率试验和金相观测辅助技术,得到了该类铝合金在不同焊接方法下的焊接接头和母材的应力腐蚀敏感性对比。     

不同屈服强度匹配下焊接接头裂纹尖端微观区域的研究

异种金属焊接接头已成为严重影响核电关键焊接结构环境致裂的主要问题之一。本文针对异种金属安全端焊接接头材料的力学性能不均匀性,通过建立安全端焊接接头有限元模型,得到了焊接材料屈服强度失配对裂纹裂尖微观区域应力应变的影响规律。     

异种高强钢气保焊焊接接头的氢脆敏感性

利用氢渗透试验、电化学测试、慢应变拉伸试验(SSRT)研究了异种高强钢气保焊焊接接头在海水中的氢渗透行为及应力腐蚀敏感性,并结合扫描电镜对断口形貌进行了观察。结果表明:异种钢焊接接头各区域的耐蚀性能和氢渗透特性存在明显差别,A侧热影响区的耐蚀性能最差并有明显的析氢倾向;充氢后焊接接头的腐蚀倾向和析氢倾向加剧,自腐蚀电位发生负移,析氢电位正移;不同阴极极化电位拉伸下,异种钢焊接接头的抗拉强度和规定塑性延伸强度都分别在830 MPa和760 MPa左右,介于基体A和基体B之间,断裂位置均在A侧热影响区,表明A侧热影响区是焊接接头产生氢脆断裂的危险区域,当阴极极化电位负于-950 mV时,焊接接头出现明显的氢脆特征。     

经济型铁素体不锈钢与耐候钢异种金属接头的耐蚀性能

采用ER-309焊丝焊接了T4003与Q450NQR1耐候钢、Nirosta4003与Q450NQR1耐候钢两种异质接头,用金相方法分析了母材和接头的显微组织,通过盐雾腐蚀试验及电化学极化曲线测量对异种金属焊接接头的耐蚀性能进行了评价。结果表明,对T4003和Nirosta4003铁素体不锈钢同种金属所形成的焊接接头而言,焊缝的耐蚀性能均优于对应的母材,但热影响区的耐蚀性能变差。对T4003和Nirosta4003铁素体不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接形成的异质接头而言,焊缝的耐蚀性能下降。在盐雾状态下,同种金属焊接所形成的焊缝与母材的耐盐雾腐蚀性能水平相当,耐蚀性能较好;T4003和Nirosta4003不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接而成的异质接头腐蚀较为明显,尤其是耐候钢一侧的腐蚀较为严重,出现了大量的腐蚀坑。在异种金属所形成的焊接接头中,不锈钢母材、热影响区、焊缝以及耐候钢母材由于腐蚀电位差的不同形成原电池,致使耐候钢母材的腐蚀加剧。     

疲劳损伤对核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性的影响

采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)研究了不同程度疲劳损伤对核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性的影响,利用扫描电子显微镜等观察手段讨论了疲劳损伤对汽轮机焊接接头应力腐蚀开裂敏感性和二次裂纹的作用机理. 结果表明,疲劳损伤增强了核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性. 此外,疲劳损伤的作用使空气中试样的塑性提高而在腐蚀溶液中塑性降低,也影响了试样内部二次裂纹的产生和扩展.