热沉位置对钛合金薄板焊接残余应力的影响

采用切条应力释放法测量钛合金TC4薄板对接试件选用不同的热沉位置分别进行动态控制低应力无变形(DC-LSND，dynamically controlled low stress no-distortion)钨极氩弧焊(TIG)时试件中的纵向残余应力和纵向残余塑性应变的分布。测量结果表明，热源与热沉之间的距离是重要的工艺参数之一，该参数对焊接应力和变形的控制效果有很大影响，适当的热沉位置是动态控制低应力无变形钨极氩弧焊实现低应力无变形焊接效果的一个必要条件。热源与热沉之间的高温金属处于力学熔化状态、无力学抗力时，热源与热沉之间距离的增加有助于降低焊接残余应力，减小纵向塑性变形。在所选用的焊接条件下，动态控制低应力无变形钨极氩弧焊焊接时热源与热沉相距30mm，近缝区的不协调应变较小，控制焊接应力与变形的效果较好。     

P92钢管道对接焊接残余应力数值模拟

为了能系统全面探究P92钢管焊条在焊接变形状态后焊缝内的焊缝热残余应力变化规律和其分布及规律情况,基于三维有限元分析及模拟分析的实验软件Abaqus建立起了实验数据库P92钢焊接模拟仿真模型的数据,研究的实验分析结果与分析模型表明,在钢管焊接变形的状态情况条件下,焊缝应力分布以及钢管焊缝受热温度影响区环向热应变分布和钢管焊缝内轴向应力变化主要体现呈拉应力,在焊缝热影响区出现了拉残余应力分布的最大值。随着距离焊缝中心距离的进一步的增加,焊接过程中拉残余的残余应力值也就逐渐减小。     

高强低合金钢焊接过程多物理场耦合数值模拟

目前高强低合金钢焊接数值模拟中,采用热-力耦合分析时,忽略固态相变效应,残余应力模拟值与试验测量值误差较大。为提高焊接数值模拟精度,根据多场耦合关系,基于传热学、固态相变理论和连续介质力学,建立焊接过程多物理场耦合本构方程,并通过子程序将其嵌入到通用隐式有限元程序中。采用数值模拟与试验分析的方法研究高强低合金钢小试样的自由膨胀试验、相变塑性试验及平板焊接试验应力及各应变分量的演变。研究结果表明：固态相变体积变化引起的相变应变对残余应力有显著影响,不但改变了残余应力的大小,甚至改变了残余应力的符号,考虑相变塑性应变时会降低应力的水平。残余应力改变程度与相变程度有关系：完全相变区影响最大,部分相变区次之,未发生相变区最小。相变应变和相变塑性应变最终大小相当。研究方法为深入了解高强低合金钢焊接过程和焊接工艺优化提供了理论基础。     

基于DIC方法的铝合金焊接接头拉伸性能研究

为准确表征铝合金焊接接头拉伸性能,针对2219铝合金搅拌摩擦焊焊接接头,采用数字图像相关(DIC)方法,测量焊接接头在拉伸载荷作用下的全场应变历程,得到铝合金焊接接头焊接区在拉伸时的连续屈服强度曲线。进而结合材料弹塑性本构模型,拟合焊接区内各点处材料本构关系,并分别构造了铝合金焊接接头焊缝区及热影响区力学性能连续变化的拟合函数,使之可以表达铝合金焊接接头焊接区内任意一点力学性能。最后利用所构造的力学性能函数模拟了铝合金焊接接头的拉伸过程,数值结果与试验相吻合,表明基于数字图像相关法的应变测量可以准确地表征其焊接区内的材料力学性能。     

高温焊接变形视觉测量方法与实验研究

针对材料高温焊接变形测量,设计由松下焊接机器人、红外热成像仪和三维数字散斑应变测量及分析系统组成的一套双目视觉测量装置。制备一种耐高温数字散斑试样以解决图像“弱相关现象”问题;由于焊接高温产生热辐射,研究了高温热辐射光谱规律,采用（400～760）nm波段的滤光片,降低热辐射对图像质量的影响,获得清晰图像;采用数字图像相关法,通过三维数字散斑应变测量及分析系统,对Q235B低碳钢焊接时的形变进行了测量。实验结果表明,钢板在焊接过程中最高温度达到1100℃,焊缝区的变形量为2.58mm,非焊缝区变形呈逐渐减小趋势,冷却后试件最大变形量变形为0.78mm。为材料高温变形,提供了一种双目视觉测量方法。     

高强钢薄板高温焊接变形的视觉测量

为了实现高强钢薄板高温焊接条件下屈曲变形的准确测量,基于数字图像处理技术、立体视觉原理及数字图像相关法,提出一种高强钢薄板全场动态焊接变形的视觉测量技术,并以规则散斑图像的高精度匹配方法研究为基础,将其应用到焊接图像中。针对焊接高温导致的散斑纹理的变色或脱落,采用高温漆与高温胶混合涂布的方式,获得了低成本、高稳定性的散斑纹理。选择薄板背侧进行测量以及在相机镜头前加装滤光片组的方法,抑制焊接过程中的强光、火花及烟雾的干扰。采用高斯平滑的数字图像处理技术,寻找最佳滤波参数并应用到焊接图像中,在保证测量精度的前提下提高了图像匹配的成功率及精度。实验结果表明,该方法能够有效地降低焊接图像匹配的均值误差、均方根误差及Z向静态均值误差,均值误差最大降幅为78.6%,均方误差最大降幅为47.7%,Z向静态均值误差降幅为37.9%。本文的方法和系统可以满足焊接高温条件下薄板屈曲变形的全场应变测量要求,散斑纹理稳定,散斑图像匹配成功率高、稳定性好,是薄板全场动态焊接变形检测的有效途径。     

T91-HR3C异种钢焊接蒸汽管道蠕变失效分析

对T91-HR3C异种钢高温蒸汽管道接头的服役过程进行了数值仿真研究,在ANSYS软件内自定义了母材和焊缝区域的蠕变本构模型,分析了服役过程母材热影响区、焊缝融合线及焊缝的温度、应力及应变变化规律,确定了焊接接头在服役过程中的危险点,描述了焊接接头服役过程中的变形.结果表明T91-HR3C异种钢焊接接头在高温长时间服役...     

搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊焊接接头的残余应力

利用X射线衍射法测量了铝合金搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊(TIG)焊接接头表面的残余应力分布.结果表明:两种接头在焊缝区及其周围的残余应力存在着明显的变化,在平行于焊缝方向,应力呈"W"型的分布,焊缝外残余应力值迅速下降;钨极氩弧焊焊接接头残余应力的最大值位于热影响区;在热影响区,搅拌摩擦焊接接头残余应力平均值比TIG焊接接头的约低15%～25%.     

高温过热器出口集箱管座焊接接头开裂原因

在检修期间对某电厂高温过热器出口集箱管座焊接接头进行磁粉探伤时,发现存在裂纹缺陷,采用应力分布模拟、显微组织观察、硬度测试等方法,对该管座焊接接头进行了失效分析。结果表明:在长期高温服役过程中,高温过热器出口集箱管座焊接接头热影响区粗晶区组织老化严重,老化等级达到4.5级,高温力学性能明显下降;同时现场安装强力对口等施工不当造成管屏附加二次应力集中,在附加二次应力的作用下,裂纹在管座焊接接头上半圈热影响区粗晶区应力集中处萌生;随着服役时间的延长,裂纹内基体组织脱碳,焊接接头发生高温蠕变开裂。     

超高强耐磨钢NM500多层多道对接接头残余应力的研究

基于SYSWELD软件平台,以新型NM500钢的多层多道对接接头为研究对象,开发一种考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合计算方法来模拟对接接头的温度场、组织体积百分数以及焊接残余应力。同时,采用光学显微镜观察对接接头的显微组织,采用显微硬度计测量接头硬度分布,以及采用小孔法测量对接接头表面残余应力。数值模拟结果与试验测量结果的比较表明：使用实际焊接热输入模拟得到的对接接头超过冶金熔点以上的温度区域与实际焊接接头熔化区吻合较好;纵向残余应力峰值位于紧邻热影响区的母材上,其值约为1 600 MPa,与母材的常温屈服极限相当;横向残余应力在焊缝厚度方向呈现“拉-压-拉”的分布形态。总体而言,数值模拟得到纵向及横向残余应力的大小及分布与试验测量结果吻合较好,验证了“热-冶金-力学”耦合计算方法的有效性。基于数值模拟结果,探讨了NM500钢多层多道对接接头焊接残余应力的形成机理。     

P92钢锅炉管道焊接组织分析与残余应力模拟

对P92钢管道进行了多层多道焊接试验,采用X射线衍射法测量焊接残余应力,并对焊接接头进行金相组织分析和硬度测试。基于SYSWELD软件开发并优化了P92钢相变耦合焊接模型,并考虑马氏体相变的Satoh试验和P92钢管道多层多道焊接模拟。焊接试验结果表明,焊缝为淬火马氏体组织、硬度较高,母材为回火马氏体组织、硬度较低,热影响区为混合组织、硬度呈下降趋势。有限元模拟结果表明,模拟所得残余应力分布与实测值吻合,证明了焊接模型的准确性。残余应力的分布与演变过程表明,马氏体相变引起的体积应变与塑性应变对残余应力的形成过程和分布影响显著,且马氏体相变效应在当前焊道作用最为明显,前道焊道的压应力会被后续的热源载荷消除。     

球罐环焊缝接头残余应力的三维非线性有限元分析

建立了球罐环焊缝焊接温度场和焊接应力应变场三维移动热源有限元分析模型,考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度而变化,应用单元生死技术模拟焊接填充过程,模拟计算出移动热源作用下的温度场,以及以温度场为基础的环焊缝接头焊接应力应变场的分布规律:温度场结果表明,由于焊接的热输入和速度不同,以及热源加载体积不相等,每道焊接的最高温度均不相等。应力场的分析结果表明,在球罐内表面的焊缝及近缝区,呈现双向残余拉应力(经向和周向),而在外表面的对应区域,经向残余应力是压应力,周向残余应力为拉应力。     

钛合金薄板带热沉GTAW焊的应力场

采用数值模拟和试验相结合的方法，比较钛合金常规钨极氩弧焊(CTAW)及带热沉的钨极氩弧焊，即动态控制低应力无变形(DC-LSND，dynamically controlled low stress no-distortion)GTAW焊接过程中应力场的形态与发展历史。DC-LSND焊接过程中，热沉的急冷收缩对热沉作用部位与熔池之间已凝固但仍处于高温状态的金属产生很强的拉伸作用，使焊缝中拉伸塑性变形增大，近缝区压缩塑性变形相应减小，从而导致焊缝与近缝区不协调应变减小，残余应力降低。与常规焊最大残余拉应力位于焊缝中心不同，在所选用的焊接条件下，DC-LSND焊最大残余拉应力位于近缝区，残余应力分布形态发生改变。     

核级手动截止阀Ω焊缝凝固缺陷成因研究

采用显微硬度测量、金相和扫描电镜(SEM)观察对不锈钢手动截止阀焊接接头各微区的硬度进行测量;对Ω焊缝、热影响区(HAZ)和母材的显微组织进行观察;对接头的断口形貌进行观测分析。结果表明:接头各区域的硬度分布差异不大,分布较为均匀,而2#试样HAZ的硬度高于1#。Ω焊缝金属柱状晶粗大,晶粒(柱状和胞状晶)的方向性强,晶间存在偏析,焊缝已形成沿晶界开裂。主要原因是:Ω焊缝装配间隙部位在冷却结晶时因液态填充不够,形成缩松、缩孔。在焊接应力/应变场作用下,拉伸应变或应变率超过此时材料的临界塑性和临界应变率时则产生焊接凝固裂纹。     

大型构件整体热处理应用实例

高炉工程的热风炉本体在焊接过程中因焊缝金属及热影响区易产生焊接残余应力,且热影响区的淬硬倾向和焊缝中氢的存在均可导致裂纹的产生,特别是当热风炉在高温状态下工作更容易因应力腐蚀而产生晶间应力腐蚀裂纹。因此,     

连续退火炉炉壳表面热应力测试

在一定的温度场和热应力等物理量作用下，连续退火炉炉壳会产生一定程度的变形，利用高温应变测试分析了炉壳的变形情况。由于工作温度较高，所以需采用高温应变片来组成应变测量电桥。通过电桥把应变转化成为电压信号，这样就实现了应变的测量。本文通过试验获得了炉壳热应力分布情况，并在此基础上分析了炉壳的变形情况和煤气流量对炉壳应力的影响。本文主要涉及高温表面热应变的测试，关键是解决高温环境下应变测量技术。     

数字图像相关法测量金属薄板焊接的全场变形

提出了一种基于数字图像相关法和双目视觉技术的全场三维变形测量方法来测量金属薄板焊接过程中的高温变形.首先,提出一种基于种子点的高精度图像匹配算法求解相关匹配非线性优化初值.然后,介绍了三维坐标重建以及三维位移、三维应变的求解算法.最后,借助于VC+ +6.0开发环境,研制了用于薄板焊接全场变形测量的实验系统.为验证本文方法在材料力学性能实验方面的可行性,利用标准材料试验机和自主研制的图像采集装置设计了钢试件的标准拉伸实验,并采用Q235板材件进行了焊接变形测量实验.实验表明:本文方法的应变测量精度为0.5％,与引伸计的测量结果基本相当;与传统的测量方法相比,提出的方法可以更全面、更直观地测量金属薄板在整个焊接过程中的三维移和应变场,并且测得的3个方向的位移变化曲线过渡自然、数据合理,是研究焊接变形规律的有效手段.     

垫板导热能力对钛合金薄板焊接残余应力的影响

针对钛合金TC4薄板钨极氩弧焊(GTAW)分别在试件背面衬以铜垫板与覆盖石棉的垫板两种情况下所焊的对接试件,采用切条应力释放法测量了其中纵向残余应力和纵向残余塑性应变的分布,比较研究了不同导热能力的垫板对钛合金薄板焊接残余应力及纵向残余塑性应变的影响。测量结果表明:钛合金GTAW焊接过程中垫板不仅提供了对焊缝背面的保护,也影响了焊接纵向残余应力与纵向残余塑性应变的分布与大小。不同导热能力的垫板控制应力与变形的效果不同。铜垫板控制应力与变形的效果好于覆盖石棉的垫板。     

用数字散斑法测量铜/铝复层板拉伸变形

提出了一种基于数字散斑相关法和双目立体视觉技术的全场三维变形测量方法,实现了对爆炸焊接制备的铜/铝复层材料的变形测量。研究了该方法所涉及的数字散斑相关算法、三维坐标、位移和应变计算等关键技术,借助于VC++6.0开发环境,研制并开发了用于铜/铝复层板全场变形测量的试验系统及其软件。为了验证本文所述测量方法的可行性,进行了精度验证实验和铜/铝复层板单向拉伸试验,且对复层板拉伸试验结果与有限元软件Abaqus数值模拟结果进行了对比分析。结果表明:本文方法的应变测量精度优于0.5%,与引伸计测得的结果基本相当;测得的应变极值分布与有限元模拟结果很吻合;在板料发生颈缩前,塑性应力-应变模拟曲线与试验结果很吻合;整个变形过程中位移-载荷模拟曲线的变化趋势与试验结果一致,模拟得到的极限载荷的相对误差为0.06%～2.25%。实验结果说明,数字散斑方法是一种精确获得复层板料全场应变的有效手段。     

用小孔释放法测量焊接高残余应力时孔边塑性变形对测量精度的影响及修正方法

研究了用小孔释放法测量焊接残余应力时孔边的塑性变形对测量精度的影响。根据弹塑性理论分析了孔边屈服的条件，并据此得到了孔边屈服后应变释放系数的修正公式，使小孔释放法测量焊接残余应力的精度得到提高，并且扩大了应力值的测量范围。对平板对接埋弧焊焊接接头残余应力的实测表明，修正后的残余应力分布更趋于合理。