局部法评定铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能

三种不同的局部法,临界距离法、应力平均法和等效应力强度因子法,用于评估Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能。结果表明,3种疲劳评定方法都能对铝合金搅拌摩擦焊接头做出合理的评定。运用临界距离法时采用Peterson修正公式计算临界距离参数L,结果表明该方法能够精确预测出Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳极限,预测误差仅4%,并能预测出接头疲劳薄弱区域;应力平均法的预测结果偏保守,预测结果较试验值低7.46%,其将焊趾视为尖锐缺口的做法具有工程应用价值。等效应力强度因子法通过将接头模拟成带标准裂纹的构件来计算焊接接头等效应力强度因子范围,并通过与接头裂纹扩展门槛值比较来判断焊接件是否发生疲劳失效,结果表明等效应力强度因子法能够对Al6082-T6搅拌摩擦焊接头做出合理的疲劳评定。     

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。     

基于DIC技术的Y型焊接接头应变集中实验研究

弯曲变形是焊接变形的主要形式,特别易于出现在Y型焊接接头中。应用数字图像相关技术(Digital Image Correlation简称DIC)技术研究Y型焊接接头在拉伸过程中的应变分布情况,实验研究结果表明:在坡口角平分线上应变呈近似线性分布,在坡口底部压应变最大,坡口外侧拉应变最大,在坡口区域出现应变集中,但应变分布曲线形式在不同的区域不一致。为了减小焊接接头的应变集中,将焊接试样进行退火处理,结果表明应变分布明显比没有退火之前均匀。     

SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接接头残余应力及变形研究

作为一种新型焊接方法,局部真空电子束焊接常被用于制造厚大的奥氏体不锈钢焊接接头,而该类接头的焊接残余应力和变形问题受到广泛关注。对板厚40 mm的SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接的对接接头进行了研究,并利用光学显微镜表征接头的组织形貌,利用显微硬度计测量接头的硬度分布,采用盲孔法装置和三坐标测量仪测量了接头的残余应力与面外变形。同时,基于ABAQUS有限元软件平台,通过编写用户子程序开发了一种复合热源模型来模拟局部真空电子束焊接过程中的热输入。采用所开发的“热-弹-塑性有限元”计算方法,模拟了接头在局部真空电子束焊条件下的残余应力与变形,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了所开发的“热-弹-塑性有限元方法”的有效性。同时基于数值模拟结果,还详细讨论了局部真空电子束焊厚板对接接头的残余应力分布与焊接变形特征。     

焊接结构抗疲劳设计新方法与应用

与传统金属材料/小尺寸疲劳试样不同,焊接结构具有其独特的疲劳特性:裂纹萌生周期短、疲劳寿命主要消耗在裂纹扩展阶段、焊接结构疲劳具有尺寸效应,这些因素导致了动载荷应力幅值为焊接结构疲劳失效的第一驱动力.基于有限元分析的无网格敏感性结构应力法,可有效描述焊接接头位置的动载荷应力.该方法结合国际疲劳设计标准中S-N曲线族与裂纹扩展速率关系,提出一条能够统一描述不同几何形式、不同板厚接头疲劳行为的Master S-N曲线.该方法在2003年SAE"Fatigue Challenge"焊接结构疲劳预测挑战中获得最准确的结果,并已纳入ASME FFS-1标准等国际标准.结构应变方法则是在结构应力方法基础上提出,可以进一步统一描述不同材料焊接构件的高/低周疲劳性能的疲劳评估方法.该方法采用Master E-N曲线将高周疲劳与低周疲劳分析方法统一.目前此方法已经应用于轨道交通、正交异性桥、重型装备等大型复杂焊接结构的疲劳设计与服役寿命预测中,可量化分析焊接变形、焊缝尺寸、熔透率等因素的影响,实现针对复杂焊接结构/接头的抗疲劳设计.     

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。     

对超声波冲击技术改善焊接接头疲劳性能的探究

超声波冲击技术是一种改善焊接接头残余应力的新方法,可以将焊缝及其焊趾区的残余拉应力转变为有利于提高疲劳性能的残余压应力,改善焊接接头的应力场分布,从而有效改善焊接接头的疲劳性能。     

激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头疲劳性能的影响

对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头进行激光冲击强化,对比强化前后焊接接头的疲劳寿命,在光学显微镜和扫描电镜下观察断口疲劳断裂特征,并从焊接接头的显微硬度、微观组织、残余应力分布等方面综合分析激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头的强化机理。试验结果表明：未强化和强化试样均在焊缝咬边处萌生疲劳裂纹,强化试样疲劳寿命是未强化试样疲劳寿命的3.77~9.15倍,强化试样焊缝咬边处马氏体细化,显微硬度提高,焊缝表面呈残余压应力分布,焊缝咬边处残余压应力达-564.37±9.85MPa。晶粒细化和高幅值残余压应力综合作用下抑制了焊缝咬边处疲劳裂纹的萌生,且增大了裂纹扩展阻力,从而提高了焊接接头疲劳性能。     

基于数字图像相关和等应力假设研究2A12-T4铝合金FSW接头的局部力学行为

基于数字图像相关(DIC)方法对2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头拉伸过程的非均匀变形行为进行分析,然后采用等应力假设方法研究了接头的局部力学性能,并与横向拉伸试验得到的整体力学性能进行对比。结果表明:基于DIC方法可知,拉伸过程中接头内部存在较大的应变梯度,采用等应力假设方法计算得到的母材局部真应力-真应变数据与试验得到的真应力-真应变曲线相吻合,验证了等应力假设方法的准确性;计算得到前进侧距焊缝中心6.5mm处热影响区的真应力-真应变曲线更接近于接头的,热机影响区与热影响区交界处的屈服强度最低,为接头力学性能最薄弱区域;接头高强度区对低强度区存在约束效应,导致接头的整体力学性能优于最薄弱区域的局部力学性能。     

压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命的探讨

对16MnR焊接接头进行了控制应变幅条件下的疲劳试验，获得其疲劳特性参数以及恒应变幅载荷下的疲劳一寿命关系，建立了焊接接头低周疲劳寿命曲线方程。并将试验结果同局部应力应变法计算的结果进行了比较，为该焊接接头应变疲劳提供了理论依据。     

提高焊接接头疲劳强度的低相变点焊条和超声冲击方法

由于焊趾部位存在有应力集中和残余拉伸应力,焊接接头的疲劳强度远低于基体金属,超声冲击和低相变点焊条的应用是近年来发展的提高焊接接头疲劳强度方法。通过对横向对接焊接接头和纵向角接板焊接接头试件的疲劳试验,在2×106循环次数下与普通E5015焊条焊态试件相比,超声冲击处理的两种型式接头的疲劳强度分别提高50％和71％,低相变点焊条焊接的两种型式接头的疲劳强度分别提高11％和41％,相应接头的疲劳寿命也有大幅度的提高。试验结果说明,两种方法都是提高焊接接头疲劳强度的有效方法,其中超声冲击方法的提高程度较高,而由于免去了焊后加工处理工序,低相变点焊条方法更适合于具有高值残余拉伸应力纵向焊缝焊接接头疲劳强度的改善。     

相变应力及其改善焊接接头的疲劳强度

基于钢铁材料相变体积膨胀的原理,自行研制成功专用低相变点焊条,在自然冷却条件下焊缝金属依靠相变应力可以获得残余压缩应力。利用所研制的低相变点焊条和普通E5015焊条分别对几种典型的接头进行焊接,疲劳试验证明：在2×106循环次数下,前者的焊接接头疲劳强度比后者提高11%～58%。同时还证明焊接接头的应力集中和拘束度越大,疲劳强度的改善效果越加明显。本方法为改善焊接接头的疲劳强度提供了一条新的途径。     

铝合金焊接接头疲劳强度试验研究

通过焊接接头疲劳试验,对铝台金3A21和5083焊接接头疲劳性能和相应S-N曲线进行分析,计算对接和不同角接头疲劳强度和曲线参数,分析不同接头几何形状和焊趾半径对疲劳强度的影响,并且对不同几何型式的接头以及铝合金与钢焊接接头疲劳试验结果进行比较。不同的承载方式和接头几何型式导致应力集中;焊趾半径大小决定应力集中程度,最终影响焊接接头的疲劳强度。     

运行条件对不锈钢点焊疲劳性能影响及开裂分析

以不锈钢车体底架电阻点焊接头为对象,研究了温度（-40℃、室温和70 ℃）、应力比（0.1、0.5）以及3.5%NaCl腐蚀介质对接头疲劳寿命的影响;借助电子背散射衍射（EBSD）技术、扫描电镜（SEM）、仪表球压痕系统(IBIS)和拉伸剪切试验,对晶粒取向、残余应力分布、疲劳断口形貌和力学性能进行分析。结果表明：低温条件下材料强度的提高可获得更好的疲劳性能,70 ℃条件下塑性性能的改善可使高周疲劳性能更优;应力比为0.1时的疲劳性能优于应力比为0.5时的疲劳性能;腐蚀介质和拉应力促使应力腐蚀开裂和裂纹尖端的阳极区快速溶解,加速裂纹的萌生和扩展,显著缩短了点焊接头的疲劳寿命;疲劳裂纹在界面应力集中尖角处形核,沿熔核软化区长大,逐渐向表面扩张,直至断裂失效。     

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.     

点焊搭接接头中的应力分布及接头疲劳行为研究

基于实际点焊接头硬度分布的分析,建立了包括熔核,热影响区和母材的单点点焊搭接接头计算模型。用三维弹塑性有限元分析方法,全面分析了点焊搭接头的应力分布情况。分析结果表明：接头搭接区内表面上焊点边缘处的应力集中是接头高周疲劳裂纹起裂和扩展的决定因素。焊点边缘附近区域中的存在的高应力,导致高周疲劳裂纹由强度较低的母材起裂并扩展。     

GH99镍基合金薄板电子束焊接头疲劳性能研究

电子束焊作为一种先进的连接技术,具有能量集中、焊接速度快、热影响区小等特点,被广泛应用于工业工程、航空航天等国民经济的重要领域。随着航天飞行器发动机设计寿命的不断提高,主要结构部件的电子束焊接头疲劳性能越来越受到设计工作者的关注,研究电子束焊接头的疲劳性能已经成为焊接工作者一个重要的课题。本文采用电子束焊接工艺,制备了GH99镍基高温合金薄板对接接头。针对电子束焊接头,进行了显微硬度测试、疲劳性能的研究及疲劳失效机理分析。研究表明,电子束焊接头焊缝中心及热影响区的维氏硬度与GH99镍基高温合金母材金属基本相同,接头并未出现性能的不均匀性。对两种工艺下的电子束焊接头的疲劳S-N曲线分析表明,适当加大电子束焊焊接电流,有利于减少焊缝焊根部位的焊接缺陷,有利于提高电子束焊接头的疲劳性能,从而提高了焊接接头疲劳寿命。     

Residual stresses in friction stir welded parts of complex geometry

Residual stresses play a key role on the mechanics underlying the fatigue crack growth propagation of welded joints. Indeed, compressive residual stresses may induce a beneficial enhancement of the fatigue life under loading condition whereas tensile residual stresses may act to increase the stress distribution at crack tip, resulting in a life-threatening condition of the welded structure. In-process distortion and final geometry of welded joints are also affected by residual stresses. In this paper, the longitudinal residual stress distributions in friction stir welding (FSW) joints were investigated for butt and skin–stringer geometries, including lap and T configurations. To measure residual stresses, the cut-compliance and the inverse weight-function methodologies were adapted for skin–stringer FSW geometries via finite element analysis. AA2024-T4 and AA7075-T6 aluminum alloys were used to weld dissimilar skin–stringer joints whereas butt joints were made of AA2024. The effect of most relevant process parameters as well as the cooling during welding process was also investigated for a better understanding of welding residual stresses. Our findings suggest that FSW of complex skin–stringer geometries produces higher residual stresses than those of butt joints, and that the cooling water flux further reduces residual stresses. Changes of process parameters did not affect markedly residual stress distribution.     

Analysis of the Fatigue Strength of Welds in Terms of Local Stress

A local approach is developed for calculating the fatigue strength of welded metal structures, selecting the basic weld structure, and identifying the group of welded structures corresponding to that basic structure. To that end, the stress state of typical welded structures is analyzed on the basis of two-level stress concentrators. The results may be used to develop standards for calculating the fatigue strength of welded metal structures.     

Spot weld arrangement effects on the fatigue behavior of multi-spot welded joints

In the present study, the effects of spot weld arrangements in multi-spot welded joints on the fatigue behavior of the joints are studied. Three different four-spot welded joints are considered: one-row four-spot parallel to the loading direction, one-row four-spot perpendicular to the loading direction and two-row four-spot weld specimens. The experimental fatigue test results reveal that the differences between the fatigue lives of three spot welded types in the low cycle regime are more considerable than those in the high cycle regime. However, all kinds of spot weld specimens have similar fatigue strength when approaching a million cycles. A non-linear finite element analysis is performed to obtain the relative stress gradients, effective distances and notch strength reduction factors based on the volumetric approach. The work here shows that the volumetric approach does a very good job in predicting the fatigue life of the multi-spot welded joints.