25 Cr2 Ni2 MoV钢焊接接头循环变形行为的有限元模拟与分析

以25Cr2Ni2MoV汽轮机转子钢V形平板焊接接头为研究对象,考虑不同热影响区材料与母材的弹性模量比值、坡口角度及载荷特性（包括不同应力比、平均应力和应力幅值）等因素的影响,采用大型有限元软件ABAQUS和Chaboche循环本构模型对接头的循环变形行为、局部塑性变形分布及其随循环周次的演化特性进行了有限元模拟与分析。结果表明,随着热影响区材料与母材的弹性模量比值的增大,焊接接头整体抗拉和抗棘轮变形能力增强,发生局部破坏的可能性也随之增大;随着坡口角度的增加,焊接接头的抗拉性能和抗棘轮变形能力降低;应力比、平均应力和应力幅值越大,焊接接头越容易发生破坏。研究成果实现了对平板焊接接头结构及性能的初步优化,为提高该类焊接接头的设计水平提供了参考。     

采用镍基和奥氏体焊材焊接Cr5Mo钢焊接接头的高温性能

通过热处理实验、持久实验以及焊缝附近微区变形的测量 ,对采用镍基焊材和奥氏体不锈钢焊材焊接的Cr5Mo钢焊接接头的高温性能进行研究。试验表明在高温条件下 ,奥氏体A30 2 /Cr5Mo焊接接头很快就发生碳迁移 ,且碳迁移的程度随着时间的延长而加剧 ;而镍基Inconel 1 82 /Cr5Mo焊接接头很难发生碳迁移。由于碳迁移的影响 ,在低应力的条件下 ,A30 2 /Cr5Mo焊接接头持久寿命大约只有Inconel 1 82 /Cr5Mo焊接接头的 5 0 % ,且镍基焊接接头的断裂位置大多位于远离焊缝的母材上 ,而A30 2 /Cr5Mo焊接接头的断裂位置大都在脱碳层附近。通过对焊缝附近微小区域变形的测量 ,发生断裂的脱碳层区域较其他位置具有较大的蠕变变形以及较高的蠕变变形速率     

裂纹位置对焊接接头断裂参量的影响

结合焊接结构的工程安全评定,针对焊接接头熔合线上容易出现缺陷的问题,本文利用有限元计算方法,编写了断裂参量J积分计算的有限元程序,并对裂纹位置不同时的焊接接头进行了有限元计算。结果表明,无论是平面应变还是平面应力条件下,焊接接头J积分值都与全母材和全焊缝材料不同;与此同时,裂纹位于熔合线上和裂纹处于焊缝中,焊接接头的J积分值也是有所差异的,并且,这种差异在平面应变状态下表现得更加明显。在实际工作中,对焊接接头的断裂参量的计算必须考虑裂纹所处位置的影响。     

304H板材焊接接头蠕变疲劳失效分析

通过具有保持时间的高温蠕变疲劳试验研究了不锈钢304H材料在相同条件下母材、焊接过程中超声波消应力以及不消应力的失效行为,并对失效后断口宏微观形貌进行分析。结果表明,断裂位置均发生在距离焊缝一定距离的母材上,失效寿命基本一致,焊接时超声波消应力处理不能提高蠕变疲劳寿命,加载过程中循环应力应变不稳定、不封闭且向右推移,从而造成材料延性耗竭而断裂,失效断口为穿晶韧窝断裂。     

焊接次数对TC18钛合金中厚板电子束焊接接头组织及性能的影响

采用电子束焊接工艺对21 mm厚TC18钛合金板进行了1次与2次(在1次焊接焊缝处以相同工艺再次焊接)焊接试验,研究了焊接次数对接头组织、拉伸性能和硬度的影响。结果表明：2种焊接接头均成形良好,无明显缺陷;相对于1次焊接,2次焊接接头热影响区中的α′相增多,晶粒尺寸增大;焊接接头的抗拉强度高于母材,且2次焊接接头强度更高,但断后伸长率下降,断裂方式均为韧性断裂;1次焊接与2次焊接接头焊缝区的平均显微硬度分别为380,395 HV,均高于母材区,热影响区的平均显微硬度分别为360,350 HV,增加焊接次数提高了焊缝区硬度,降低了热影响区硬度。     

7075铝合金的单轴棘轮行为

采用单轴拉压循环试验研究了T651热处理态7075铝合金在不同应力幅及平均应力下的棘轮行为,并对试验前后铝合金的显微组织进行观察与分析。结果表明:不同循环载荷下7075铝合金均表现出明显的棘轮应变累积特征;在循环初期,铝合金的塑性变形很明显,棘轮应变速率较大,这与铝合金中位错密度增大、位错弹性应力场增强、大量位错缠结的出现有关;随着循环次数的增加,塑性变形累积明显减小,棘轮应变速率呈近线性缓慢增加趋势;棘轮应变累积随应力幅或平均应力的增大而增加。     

25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的超高周疲劳特性

对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头开展常温拉压条件下的超高周疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究焊接接头的疲劳失效机理。结果表明,疲劳寿命曲线呈现阶梯状:在高应力短寿命区,疲劳断裂发生在试样母材区较多,多为表面或次表面夹杂物裂纹萌生;在低应力长寿命区,疲劳断裂发生在试样焊缝区较多,多为内部气孔裂纹萌生。断口分析发现:缺陷(裂纹源)尺寸较小或者越靠近试样内部,疲劳寿命越长,且较小缺陷同内部较大缺陷具有相似的裂纹萌生潜力。通过有限元模拟疲劳试样内部微缺陷处的应力分布得出,焊缝区气孔和夹杂物周围的应力集中程度大于母材区夹杂物。结合断口分析发现,母材区弥散分布的粒状颗粒夹杂物数量较多,并且聚集起来会形成更大的缺陷,相比焊缝区夹杂物更容易萌生疲劳裂纹。     

高强韧中锰钢CO2气体保护焊接头的疲劳性能

采用CO₂气体保护焊对30 mm厚高强韧中锰钢板进行对焊试验,通过圆棒拉压疲劳试验获得中锰钢焊接接头的应力幅-寿命曲线,测定了其高周疲劳极限并观察其断口形貌。结果表明：在应力比为-1、循环次数为10⁷周次条件下,中锰钢焊接接头的高周疲劳极限为353 MPa;当中锰钢焊接接头焊缝中存在明显的焊接缺陷时,疲劳裂纹萌生于微观缺陷处,而当焊缝中无焊接缺陷时,疲劳裂纹萌生于试样表面熔合线位置,疲劳裂纹扩展区表面粗糙,存在着明显的二次裂纹,瞬断区表面存在大量均匀细小的韧窝。     

焊接顺序对TC4钛合金TIG焊T型接头残余应力和变形的影响

建立了TC4钛合金钨极惰性气体保护焊(TIG焊)T型接头的有限元模型并进行热源验证,研究了双侧同时同向(方案1)、单侧顺序同向(方案2)和单侧顺序反向(方案3)这3种焊接顺序对T型接头残余应力和变形的影响。结果表明：模拟得到焊接热循环曲线与试验曲线基本吻合,峰值温度相对误差小于5%,证明模型准确;3种焊接顺序所得T型接头的纵向残余应力在靠近焊缝处均表现为拉应力,远离焊缝处均表现为压应力,方案1接头位置残余应力变化梯度最小;方案1所得接头的变形最小,焊后翼板垂直度最优,因此双侧同时同向焊接更适用于需要严格控制构件焊接整体变形的场合。     

低碳合金钢及焊接接头断裂韧度的温度效应

利用Hopkinson压杆装置对某低碳合金钢及焊接接头不同温度下动态断裂韧度进行了测试,给出了试验温度控制方程,分析了温度对断裂韧度的影响.结果表明:在应力波加载(K≈106 MPa·m1/2/s)条件下,母材和焊缝断裂韧度降低;但是同一温度下母材的断裂韧度高于焊缝,原因主要是组织状态对应变速率敏感性不同;同时在分析该钢母材和焊缝断裂韧度温度效应的基础上,建立了应力波加载下母材和焊缝的断裂特征分析图,给出了温度、板厚和断裂韧度之间的关系.     

核电汽轮机低压焊接转子模拟件接头高周疲劳性能研究

研究并对比了25Cr2Ni2MoV焊接转子模拟件埋弧焊和氩弧焊接头高周疲劳性能,发现氩弧焊接头高周疲劳性能优于埋弧焊接头高周疲劳性能。观察高周疲劳断口发现：埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂于气孔与夹杂物;而氩弧焊接头启裂于气孔。针对内部启裂源为气孔的情况,提出通过测量启裂区(不含启裂源)特征尺寸求得高周疲劳裂纹启裂速率的途径来评价高周疲劳性能。通过白光干涉形貌仪测量启裂区特征尺寸,发现埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率高于氩弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率,与实际高周疲劳性能测试结果一致。     

Low-cycle fatigue of a friction stir welded 2219-T62 aluminum alloy at different welding parameters and cooling conditions

Strain-controlled low-cycle fatigue tests and microstructural evaluation were performed on a friction stir welded 2219-T62 aluminum alloy with varying welding parameters and cooling conditions. Cyclic hardening of friction stir welded joints was appreciably stronger than that of the base material. The cyclic stress amplitude increased, and plastic strain amplitude and fatigue lifetime slightly decreased with increasing welding speed from 60 to 200 mm/min but were only weakly dependent of the rotational rate between 300 and 1,000 rpm with air cooling. Friction stir welded joints with water cooling had higher stress amplitude and fatigue life than that with air cooling. Fatigue failure of the joint occurred in the HAZ where the soft zone was present, with crack initiation from the specimen surface or near-surface defect and crack propagation characterized by typical fatigue striations.     

An interval-energy-based method for lifetime assessment of dissimilar lightweight metal welded joints

In consideration of uncertainties of material characteristics and its welding and forming process, an interval strain energy density method for predicting fatigue life of dissimilar lightweight metal welded joints was presented in this paper. Firstly, the mechanical performance parameters and fatigue properties of welded joints with parental material aluminum alloy 5083H111 and 5754 were obtained by experimental work. Based on the interval number approach, the interval relationship between the elastic and plastic strain energy density and fatigue life was constructed, including lower and upper interval bounds. Then, a finite element model of the dissimilar lightweight metal cross welded joint was generated to calculate the stress-strain response curve under cyclic loadings through the non-linear finite element analysis. The predicted lifetime and failure location for the cross welded joint based on the interval strain energy density method agreed well with the tested results.

     

Fatigue Resistance and Failure Behavior of Penetration and Non-Penetration Laser Welded Lap Joints

Penetration and non-penetration lap laser welding is the joining method for assembling side facade panels of railway passenger cars,while their fatigue performances and the difference between them are not completely understood.In this study,the fatigue resistance and failure behavior of penetration 1.5+0.8-P and non-penetration 0.8+1.5-N laser welded lap joints prepared with 0.8 mm and 1.5 mm cold-rolled 301L plates were investigated.The weld beads showed a solidification microstructure of primary ferrite with good thermal cracking resistance,and their hardness was lower than that of the plates.The 1.5+0.8-P joint exhibited better fatigue resistance to low stress amplitudes,whereas the 0.8+1.5-N joint showed greater resistance to high stress amplitudes.The failure modes of 0.8+1.5-N and 1.5+0.8-P joints were 1.5 mm and 0.8 mm lower lap plate fracture,respectively,and the primary cracks were initiated at welding fusion lines on the lap surface.There were long plastic ribs on the penetration plate fracture,but not on the non-penetration plate fracture.The fatigue resistance stresses in the crack initiation area of the penetration and non-penetration plates calculated based on the mean fatigue limits are 408 MPa and 326 MPa,respectively,which can be used as reference stress for the fatigue design of the laser welded structures.The main reason for the difference in fatigue performance between the two laser welded joints was that the asymmetrical heating in the non-penetration plate thickness resulted in higher residual stress near the welding fusion line.     

疲劳门槛值统一理论模型的比较及验证

针对应力比对疲劳裂纹扩展及门槛值的影响,依据裂纹闭合与裂纹扩展驱动力机制的统一思想,阐述了Zhu-Xuan模型与Kwofie-Zhu模型的建立过程,并基于25Cr2Ni2MoV转子钢焊接接头的疲劳裂纹扩展试验数据对模型进行验证。结果表明,两种模型在近门槛值区和Paris区均有良好的预测效果,其中Zhu-Xuan模型形式简单,对CrMoV钢具有普适性,预测门槛值的误差在10%以内,而Kwofie-Zhu模型预测结果更准确,但应用过程涉及参数求解,过程较复杂。研究认为,裂纹闭合与扩展驱动力机制的统一模型描述疲劳裂纹扩展行为的应力比相关性是合理可行的,且具有较好精度。     

焊后热处理对30CrMnSiNi2A钢电子束焊接件疲劳行为的影响

电子束局部热处理是一种新型的热处理方式，探讨其对电子束焊接接头组织和疲劳性能的影响规律具有十分重要的实际意义。文中采用CT(紧凑拉伸)试样，对30CrMnSiNi2A钢电子束焊接后焊态、焊后炉内整体热处理和电子束局部热处理三种焊接接头焊缝与母材的疲劳裂纹扩展速率进行试验研究；并测定上述两个部位的门槛值。结合金相组织分析，讨论焊后热处理对接头疲劳行为的影响。试验结果表明，电子束局部热处理和整体热处理都能够在一定程度上改善焊接接头的组织和近门槛值处抗疲劳裂纹扩展的能力。由于电子束局部热处理具有方便、省时、节省能源和提高生产率的优点，因而具有较大的应用潜力和研究价值。     

胶焊搭接接头的应力分布和疲劳行为研究

考察了胶焊接头焊点区的结构组成和硬度分布,建立了胶焊接头的计算模型,模型中计人了若干结构细节,使之与实际接头更为接近。计算并对比研究了胶焊和点焊、胶焊和胶接接头中的应力。通过疲劳试验获得了三种接头的－Ｎ曲线,研究了三种接头的疲劳性能和断裂特征。结果表明,数值分析所得应力与疲劳性能试验结果及试验现象吻合良好。在电阻点焊接头中采用胶粘剂,可大大改善电阻点焊接头的疲劳性能,而焊点对胶接接头的疲劳性能有不利影响。     

AZ31B镁合金TIG焊焊接接头的疲劳性能

对8 mm厚AZ31B镁合金板及其三种TIG焊焊接接头的静载拉伸性能和疲劳性能进行试验研究。试验结果表明AZ31B镁合金母材的静载抗拉强度为245.50 MPa,TIG焊对接接头、纵向角接接头和非承载十字接头的静载抗拉强度分别为193.55 MPa、229.89 MPa、227.39 MPa。脉动循环(r = 0)疲劳试验表明,在2×106循环次数下,AZ31B镁合金母材的疲劳强度为57.81 MPa,为其静载抗拉强度的23.5％。相同循环次数下,AZ31B镁合金TIG焊对接接头、纵向角接接头和非承载十字接头的疲劳强度为24.60 MPa、20.14 MPa、17.25 MPa,分别为母材疲劳强度的42.6 %、34.8 %和29.8 %。按照国际焊接学会的规范,发现镁合金焊接接头的疲劳级别FAT仅为相应铝合金接头疲劳级别FAT的一半。由此看来,疲劳性能是影响镁合金在承受动态载荷结构中应用的主要因素之一。