钻孔法测大型构件焊接残余应力试验的误差分析与优化

钻孔法理论体系完备,是目前最常用的残余应力测量方法,但试验参数的选择会直接影响测量结果的准确性。文中结合理论与试验研究了钻孔法测量时的贴片时间、应变取值时间对其误差的影响。首先建立了有限元模型,采用顺序热力耦合的方法计算了残余应力的分布情况,进而选取了3条残余应力水平不同的测试路径,采用钻孔法测试3条路径下不同贴片时间、应变取值时间的残余应力结果,并对结果进行回归分析,得到误差和2种因素间的数学关系。结果表明,在同等条件下,通过控制贴片时间t_p,误差控制效果更优,当误差在10%以内时,贴片时间t_p选取50.31 min,应变取值时间t_e选取24.12 min,为该误差下的最优时间参数。文中所用方法和结论,可为地铁枕梁等大型构件及相似结构的钻孔法焊接残余应力测量提供优化方法、思路,在保证测量精度的同时大幅提高试验效率。     

基于弹性模量变化的7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力测试

采用虚拟仪器和NI数据采集卡搭建了一种以小孔法为核心的残余应力测试系统,分析了7A52铝合金VPPA-MIG复合焊后残余应力的分布情况. 为降低弹性模量误差对最终测量结果的影响,通过实测复合焊接接头不同区域的弹性模量,拟合弹性模量随测量点位置变化的曲线来修正弹性模量误差. 针对10 mm厚7A52铝合金板材,完成了VPPA-MIG复合焊接残余应力测试试验. 结果表明,焊缝两侧各区域上的残余应力分布基本关于焊缝对称,熔合区出现最大拉应力,最大横向残余应力σ_y与纵向残余应力σ_x分别为118和223 MPa. 从熔合区至热影响区,残余应力均为拉应力,逐渐减小且高于焊缝中心的残余应力. 与单MIG焊相比,复合焊的最大横向残余应力与纵向残余应力大于MIG焊,但高应力区比MIG焊窄.     

盲孔法测量HT300铸件残余应力的应变释放系数研究

在利用盲孔法测量铸件残余应力时,有几个比较重要的试验参数:铸件材料的弹性模量、泊松比,以及应变释放系数。选择HT300灰铸铁作为试验材料,首先对其物性参数(弹性模量和泊松比)进行准确测量。在此基础上,研究HT300材料应变释放系数随拉应力的变化趋势,以及贴片和钻孔偏差对试验结果的影响。结果表明:HT300材料应变释放系数随拉应力的增加而减小,贴片和钻孔偏差引起的试验误差随拉应力的增加而不断被放大。     

超声滚压加工对X80管线钢焊接残余应力的影响

建立超声表面滚压加工（ultrasonic surface rolling process,USRP）的三维有限元模型,开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序,利用有限元软件ABAQUS模拟了X80管线钢焊缝不同方向的焊接残余应力,在此基础上叠加USRP的超声振动与静载荷的综合作用,模拟了表面塑形变形、应力和应变,耦合后分析了USRP前后残余应力的变化规律.结果表明,经过USRP处理,X80管线钢表面焊缝区由三向残余拉应力变为三向残余压应力,随着USRP次数的增加,残余压应力数值不断增大,残余应力σ_x,σ_y,σ_z变化规律基本相同.     

不同焊脚尺寸对T形接头变形及残余应力的影响

不同焊脚尺寸影响结构件焊接变形和残余应力分布,对实际工程意义较大。文中借助焊接数值模拟手段,对T形接头的焊接过程进行分析,获得了接头焊后变形和残余应力。同时,结合盲孔法试验,验证有限元模型的正确性和有效性。结果表明：Z₁×Z₂=9 mm×9 mm方案焊后总变形量和等效残余应力峰值最小,Z₁×Z₂=8 mm×10 mm方案焊后总变形量最大;Z₁×Z₂=10 mm×8 mm方案纵向和横向残余应力峰值最大。纵向和横向残余应力仿真结果与试验测量结果相对误差最大分别为8.82%和8.43%,满足工程应用的要求。该研究为焊脚尺寸控制和残余应力优化提供指导。     

孔边塑性变形对测定焊接残余应力精度的影响

本文对如何进一步提高小孔松弛法测定焊接残余应力的精度进行了新的探索,着重对由于孔边应力集中引起的孔边塑性变形而产生的测量误差作了研究。发现当σ>1/2σ_s 时,测得的释放应变ε是由纯弹性释放应变ε_e 和孔边塑性变形的影响ε_p 所组成。故计算时应从ε中减去ε_p,即用ε_e 算得的残余应力才是真值。本文采用修正方法用ε_e代替ε,在σ接近σ_s 时,其测量误差已从19%降至2%以下,从而提高了测量精度。     

SiO2f/SiO2复合材料与金属铌环形钎焊接头的残余应力数值模拟

对陶瓷基复合材料SiO_2f/SiO₂与金属铌环形钎焊接头的残余应力进行了有限元数值模拟.结果表明,接头存在较大的径向拉应力σ_y和周向界面剪切应力τ_yx,其峰值分别为1 047 MPa和329 MPa.靠近焊缝的SiO_2f/SiO₂中存在应力集中,因而在焊后冷却过程容易首先破坏.在SiO_2f/SiO₂连接面表层加工沟槽可有效缓解残余应力,σ_y和τ_yx峰值分别降低到731 MPa和230 MPa.与不开槽钎焊比较,在靠近焊缝界面的SiO_2f/SiO₂侧表层,开槽钎焊使σ_y从200 MPa降至81 MPa、τ_yx从230 MPa降至53 MPa.陶瓷被焊表面开槽之后再钎焊填入钎料所引起的应力缓解,对于避免开裂、提高接头强度及可靠性十分有利.     

盲孔法中应变释放系数的有限元模拟标定

盲孔法测量焊接残余应力时,孔周围材料超过屈服状态,产生塑性变形而引入塑性附加应变,使得测量结果产生较大误差.根据应变释放系数A,B试验标定原理,对Q345R钢进行试验标定.以一定应力状态下形状改变比能系数S作为判据,对应变释放系数A,B进行修正,使得焊接等高残余应力的测量结果更为精确.基于强度理论,应用有限元软件,对Q...     

振动时效对10CrNi3MoV钢焊接接头残余应力释放及力学性能的影响

振动时效是一种有效的焊接接头残余应力消除工艺。文中针对20 mm厚10CrNi3MoV低合金高强钢对接接头进行残余应力分析和力学性能试验。结果表明,振动时效可以减小接头残余应力,将熔合线处的残余应力峰值由581 MPa减小至339 MPa,降幅达到42%,而在低应力区释放效果不明显;振动时效可降低接头的硬度,将热影响区硬度峰值由HV407降低至HV347。此外,振动时效将接头的抗拉强度由840 MPa提高到865 MPa,焊缝区的断裂韧度J_0.2由142 kJ/m²提高到230 kJ/m²,熔合线处的断裂韧度由207 kJ/m²提高到281 kJ/m²,热影响区断裂韧度J_0.2由145 kJ/m²提高到206 kJ/m²。     

时间和温度对放电等离子体扩散焊接Ti48Al2Cr2Nb合金接头显微组织的影响

采用放电等离子体扩散焊接技术,以Ti/Ni/Ti箔为中间层,实现了Ti48Al2Cr2Nb合金之间的扩散连接. 研究了焊接时间和温度对接头显微组织的影响. 结果表明,950 ℃时,保温15 min,中间层和基体中元素互扩散有限;保温时间延长到30 min,中间层在接头处扩散均匀. 在相同保温时间30 min的条件下,900 ℃和950 ℃得到的接头界面存在分层,各个层的主要物相都是α₂相,仅最内层存在α-Ti. 升高温度到1 000 ℃和1 050 ℃,接头界面分层消失,显微组织相似,都是由粗大的α₂相和固溶了少量Ni原子,Nb原子,Cr原子的α₂相组成. 放电等离子体烧结(SPS)对接头处的元素扩散有促进作用,尤其是Ni元素,使得接头内部没有TiNi和TiAlNi金属间化合物生成.     

Ti2AlNb金属间化合物惯性摩擦焊接头组织及性能分析

采用惯性摩擦焊接工艺对Ti₂AlNb金属间化合物进行了焊接试验研究，利用SEM观察了焊态及焊后热处理接头各区域显微组织，并分析了接头显微硬度变化趋势. 结果表明，Ti₂AlNb金属间化合物试验母材为α₂+B2+O三相组织，α₂相呈断续网状和块状分布于原B2相晶界，O相呈片状分布在B2相基体上；摩擦焊接头分区明显，WZ为单一B2相等轴晶粒，晶粒均匀细小，热力影响区(TMAZ)近焊缝区为B2+α₂相组织，α₂相沿摩擦方向呈定向分布，远焊缝区与热力影响区(HAZ)相近为B2+O+α₂三相组织；焊后热处理接头WZ为板条状B2+O双相组织，并伴有疑似孪晶出现，TMAZ为B2+O+α₂三相组织，近焊缝区原黑色条纹区B2相转变成了块状O相，其余B2相转变成B2+O相板条束，HAZ组织与母材相近，但具有厚度更细小的O+B2相板条；焊态及焊后热处理接头焊缝区显微硬度最高，随着向母材区过度，显微硬度逐渐降低.     

Atomic-scale microstructure and elastic properties of quaternary Zr–Al–Si–C ceramics

Transmission electron microscopy characterizations and elastic properties of two quaternary carbides, i.e. Zr₂(Al(Si))₄C₅ and Zr₃(Al(Si))₄C₆ are reported. The space group and atomic-scale microstructures of both compounds were determined using a combination of selected area electron diffraction, convergent beam electron diffraction, high-resolution transmission electron microscopy and Z-contrast scanning transmission electron microscopy. In addition, the combined experimental and theoretical studies on elastic properties for Zr₂(Al(Si))₄C₅ are presented. A full set of second-order elastic constants, bulk modulus, shear modulus, and Young’s modulus were calculated using first-principles calculations. Both experimental and theoretical works demonstrated that quaternary Zr–Al–Si–C ceramics possess close elastic properties to ZrC. Furthermore, Zr₂(Al(Si))₄C₅ retained a high Young’s modulus up to about 1580 °C, which can be attributed to its comparable activation energy of lattice drag process to that of ZrC.     

Cu基药芯焊丝TIG焊TA1/Q235B接头微观组织和显微硬度

利用Cu基(Cu-Cr-Co-Ni)药芯焊丝对TA1/Q235B异种金属对接与搭接接头进行了TIG焊接试验. 通过SEM、EDS和XRD对接头微观组织进行了详细分析,通过显微硬度测试了接头的硬度分布. 结果表明,采用Cu基药芯焊丝进行TA1/Q235B TIG焊接,对接和搭接均得到了无缺陷的接头. 两种接头的焊缝与母材界面处组织分布类似,其中TA1侧主要由β-Ti固溶体、FeTi和CuTi₂化合物组成;Q235B侧主要由Fe,Cu基固溶体和Fe₂Ti化合物组成. 对接焊缝主要由Cu基固溶体,CuTi,FeTi,Cu₄Ti,τ₂和τ₃金属间化合物组成,而搭接焊缝主要由Cu基固溶体、τ₂和Cu₄Ti组成. 对接接头的平均硬度为449 HV0.1,搭接接头的平均硬度为335 HV0.1.     

热处理对Ti2AlNb线性摩擦焊接头组织与硬度的影响

对Ti₂AlNb合金进行了线性摩擦焊试验以及焊后热处理研究. 着重分析了Ti₂AlNb合金线性摩擦焊接头焊合区,热力影响区的显微组织特点以及组织演变规律,结合焊后热处理,探讨了热处理温度对接头的影响规律. 试验结果表明,采用线性摩擦焊可实现Ti₂AlNb合金可靠连接,接头无微裂纹、孔洞等缺陷. 焊态Ti₂AlNb合金接头的焊合区为亚稳态β组织和极少量的变形α₂相,热力影响区含变形α₂相和O相,以及亚稳态β相. 热处理后,针状O相在亚稳态β相中析出,并随着热处理温度升高(从700 ~ 900 ℃)而长大. 700 ℃热处理后,接头显微硬度明显升高,但随着热处理温度的升高,显微硬度下降.     

Coherency and loss of coherency in lamellar Ti---Al

A grain of fully lamellar Ti---Al is modeled as a periodic multilayer which may contain any number of layers, each with different lattice parameters, different (isotropic) elastic constants and different thicknesses. Formulae are given for the coherence (plane) stress and strain tensors in any layer. The γ layers all have inplane shears and a biaxial tension whereas the ₂ layers have principally a biaxial compression. The coherence stresses expected in various forms of fully coherent Ti---Al are tabulated. Estimates are made of the lamellar thicknesses at which the material becomes semi- or partially- coherent and of the residual coherence stresses in these materials.     

Upward modulus trend in NiAl and NiFeAl single crystals

Dynamic Young modulus, torsion modulus and elastic energy dissipation were measured in Ni_56.2Fe_0.3Al_43.1Ta_0.3Mo_0.1 (NiAl crystal) and Ni_56.6Fe_12.3Al_30.2Hf_0.6(Al₂O₃)_0.3 (NiFeAl crystal). The elastic constant C′=(C₁₁−C₁₂)/2 has in both alloys a positive temperature derivative: (dC′/dT)>0 from 150 K up to 1300 K. The elastic energy dissipation exhibits a Debye-like peak whose activation energy is 2.36±0.05 eV in NiAl and 1.98±0.09 eV in NiFeAl. The peak is described as a Zener’s pair reorientation.     

相场法模拟弹性应变能对Ti-Al-Nb合金α2→O相变粗化动力学的影响

采用相场方法模拟了Ti-Al-Nb合金α2→O相转变,探讨了有无外力场作用下弹性应变能对O相颗粒形貌、取向、数目、体积分数及平均尺寸的影响.结果表明:在弹性应变能作用下,颗粒形貌为长方块状,且沿弹性软方向分布;无外力场时,弹性应变能越大,沉淀相越易形核,稳定时颗粒数目越多,体积分数及平均尺寸越小;在外力场作用下,取向有利的变体优先长大,取向不利的变体长大受到抑制;在较小压应力作用下,沉淀相易于形核,稳定时颗粒数目增多,体积分数减小;在拉应力或较大压应力作用下,应力越大,越难于形核,稳定时颗粒数目越少,体积分数越大.     

厚板Invar合金多层多道焊反变形数值模拟

文中针对19.05 mm厚Invar合金模具材料多层多道MIG焊接,采用有限元仿真分析和试验验证相结合的方法,分别对无反变形角的模型和施加不同反变形角的模型进行数值模拟,用模拟时所设计的反变形角进行Invar合金多层多道MIG焊试验,分析焊后试样的变形情况,与模拟结果对比分析.结果表明,当施加的反变形角为2°时可以有效控制100 mm × 100 mm × 19.05 mm的Invar合金四层十道MIG焊的焊后角变形,焊后残余翘曲高度为?0.11 mm,焊后残余角变形为?0.12°,与模拟结果的误差在8%之内. 结果表明,有限元模拟技术对于试验探究具有预测和引导作用.