焊趾多裂纹的试验与仿真分析

焊接接头焊趾部位的疲劳裂纹多呈现为多裂纹形式.针对十字焊接接头,开展变幅载荷谱块下的拉伸疲劳试验,获得了表征裂纹瞬时前沿迹线的海滩条带的演变过程,验证了多裂纹的存在性,并且发现焊接接头焊趾处的多裂纹具有明显的不同步特性.采用有限元仿真技术,在焊趾部位分步插入多个半椭圆形初始裂纹,模拟了多裂纹的演变过程,获得了与试验断口一致的仿真结果.结果表明,裂纹融合导致裂纹前沿形状不断发生变化,最终有向半椭圆形状演变的趋势;焊接结构裂纹萌生和小裂纹扩展阶段在疲劳全过程中的寿命占比较大,具有不可忽略的影响.     

带表面裂纹焊接构件疲劳寿命与安全性的概率评定

本研究以对接接头焊趾表面裂纹疲劳扩展随机模型与统计分析为基础，分析了焊趾表面裂纹疲扩展的极限状态，探讨了带表面裂纹焊接构件疲劳扩展寿命与安全性的概率评定方法。     

合理焊接顺序在避免焊趾裂纹中的应用实例

通过实例介绍如何采用合理的焊接顺序来避免焊趾裂纹的产生。在焊接结构上,焊趾是主要的潜在裂纹源。一些表面裂纹可能在焊趾上先后成核、扩展,最终沿深度方向贯穿板厚。焊趾裂纹的产生与焊缝的受力状态有关。这种裂纹因位于焊缝的应力集中区内,受到高应力的作用,同时还受到附加弯矩的作用。合理的焊接顺序能够极大地减少焊缝中的残余应力和变形,此外活马板的使用能够使焊缝自由收缩,也可减小焊缝中的应力,避免焊趾裂纹的产生。     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性——裂纹生长机理

研究热冲击条件下细间距倒装微焊点的裂纹萌生及扩展,通过观察裂纹生长路径,并结合累积塑性应变能密度及应变在焊点上的分布,分析裂纹的生长机理. 结果表明,裂纹形成在微焊点外侧,位于镍焊盘界面IMC与焊料基体之间的界面上;随着循环次数的增加,裂纹进入镍焊盘附近的焊料基体中,沿着焊盘平行的方向扩展,累积塑性应变能密度及应变在微焊点上的分布与裂纹扩展方向一致. 对裂纹生长机理探讨可知,IMC与微焊点之间的界面处于双重应力集中状态,因此裂纹易在微焊点及IMC之间的界面上萌生;随着循环次数的增加,焊料基体的塑性变形增加,高塑性的焊料区域为裂纹扩展提供了条件.     

T型焊接接头弯曲疲劳寿命预测方法

采用数值模拟方法对弯曲载荷下T型焊接接头疲劳裂纹由萌生至断裂过程进行研究,将焊接构件疲劳总寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命,提出一种基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测方法。首先针对T型接头进行有限元建模,基于应变-寿命曲线与Neuber公式计算T型接头局部应变集中区域的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的初始裂纹设为半椭圆形表面裂纹;然后在T型接头中创建与实际裂纹相符的半椭圆形状裂纹,结合Dugdale模型和Westergaard应力函数,根据有限元分析结果迭代计算半椭圆裂纹尖端的真实应力强度因子,建立裂纹尖端应力强度因子随裂纹深度及附加应力变化的拟合公式;最后结合Pairs理论计算焊接构件裂纹扩展寿命,并与T型接头弯曲试验结果进行对比验证。结果表明:基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测值在试验结果的两倍误差带内,与试验结果具有较好的一致性;相同条件下,T型接头焊趾应力强度因子相比平面应变状态增加了25%; T型接头弯曲疲劳强度比拉伸疲劳强度高12%。     

10CrNi3MoV钢气体保护焊氢致裂纹的萌生和扩展

研究了气体保护焊 (WM96 0 -S焊丝和Ar 2 0 %CO2 气体 )不预热焊接5 90MPa级 10CrNi3MoV钢氢致裂纹萌生和扩展规律。在 - 5℃和相对湿度 80 %的条件下 ,采用小铁研抗裂性试验方法进行抗裂性试验。通过比较单道焊和双道焊的裂纹率及裂纹扩展方式说明 ,MIG焊 (熔化极惰性气体保护电弧焊 )焊缝具有良好的抗裂能力 ;双道焊的抗裂能力显著高于单道焊 ;单道焊时氢致裂纹为沿晶方式扩展 ,双道焊时氢致裂纹为穿晶方式扩展。双道焊时 ,第一道焊缝HAZ(热影响区 )过热区受第二道焊缝焊接热循环作用 ,在根部HAZ粗大晶粒晶界两侧产生的细小晶粒是影响氢致裂纹扩展方式和提高抗裂能力的主要原因。根据裂纹扩展方式的变化 ,对氢致裂纹萌生和扩展机制进行了讨论     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能

采用超声疲劳试验方法对SMA490BW钢焊接接头的超高周疲劳性能进行研究,通过X射线应力仪对焊接试样残余应力进行测试,采用扫描电镜对疲劳裂纹的萌生、扩展及疲劳断裂机理进行观察和分析. 结果表明,SMA490BW钢母材的疲劳性能远高于焊接接头,在1 × 108循环周次条件下,接头的疲劳强度为141 MPa,仅为母材的44.2%. 接头裂纹主要萌生于焊趾表面缺陷处,疲劳断裂机理表现为准解理断裂, 并伴有塑性变形痕迹. 焊趾处几何不连续造成的应力集中和焊缝及其附近区域一定的残余拉应力,以及接头各微区组织和性能的不均匀性,是导致焊接接头疲劳性能偏低的主要原因.     

交变载荷作用下平面应力状态焊接接头焊趾处应力应变理论解的推导

基于弹塑性力学理论计算对接接头交变载荷作用下焊趾处应力和应变,以准确预测交变载荷作用下平面应力状态对接接头焊趾处的应力和应变值为目标,考察了不同加载情况下平面应力状态对接接头焊趾处应力和应变的理论计算方法,并给出了交变载荷作用下平面应力状态对接接头焊趾处应力和应变的理论解.结果表明,在材料参数、载荷大小以及焊趾应力集中系数已知的前提下,根据提出的理论解的计算式可获得相应载荷时接头焊趾处的应力应变,为焊接接头在交变载荷下的疲劳失效预测提供理论指导.     

CBGA焊点热循环条件下的可靠性

研究了陶瓷球栅阵列（CBGA）器件在-55～125℃温度循环条件下的热疲劳寿命,采用光学显微镜研究了失效试件焊点的失效机制,分析了裂纹萌生和扩展的方式。结果表明,失效试件裂纹最先萌生于四周最外侧焊球上下界面外边缘处,随着循环次数的增加,裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展,裂纹的萌生和扩展是该处应力应变集中、热循环和蠕变相互作用的结果。     

航空发动机高压涡轮叶片叶冠焊后裂纹分析及控制

航空发动机高压涡轮工作叶片阻尼叶冠表面堆焊耐磨层后,发现焊接热影响区存在延迟裂纹。通过基体材料成分分析、金相观察、扫描电镜分析等手段分析裂纹原因,结果表明:裂纹为焊接及磨削残余应力与时效组织应力叠加导致应变集中产生的应变-时效裂纹。通过增加焊前预热、焊后缓冷、焊后立即退火、控制叶片磨削进刀量等措施有效降低裂纹故障率。冷热循环试验表明在正常工作过程中叶片裂纹扩展速率缓慢,一般不会形成封闭裂纹;叶冠边缘处裂纹有向叶冠外侧扩展倾向,可能造成掉块,影响飞行安全。     

感应器安装座断裂分析与结构设计优化

运营3年的铁路机车日常检修时发现极少部分安装座加强筋焊趾位置焊缝产生裂纹,部分底板因裂纹扩展导致断裂。对安装座各焊接组件在机车运营过程中的受力状态以及裂纹焊接组件的宏观断口、化学成分和显微组织进行了分析。结果表明：由于各部件组焊后内应力未经退火消除且结构上的缺口易产生应力集中,缺口又正处于较为薄弱的焊缝热影响区和最大受力力矩位置,在运营过程中极易产生疲劳裂纹。为减少焊接应力,应从结构上减少焊缝数量并对焊缝去应力退火或结构优化。     

GH536高温合金焊接接头疲劳裂纹萌生与扩展原位试验研究

采用原位疲劳试验方法,实时观察了GH536焊接接头疲劳裂纹的萌生和扩展行为,从而揭示了GH536焊接接头疲劳裂纹的萌生和扩展机制:疲劳加载过程中,位错沿滑移带在晶界前沿塞积,晶界阻碍位错运动,裂纹沿滑移带开裂,萌生疲劳裂纹;疲劳裂纹扩展初期,受单滑移的交替作用,裂纹呈“Z”字型向前扩展,随后裂纹的扩展逐渐以主应力控制为主,垂直于加载方向、平直向前扩展;GH536合金焊接接头组织中的晶界和碳化物会阻碍疲劳裂纹的扩展。     

09CuPTiRE热轧钢板焊裂分析

本文研究了09CuPTiRE热轧钢板焊接热裂纹的形成机制。结果表明:其焊裂性质为高温低塑性裂纹,主要原因为组织异常,异常组织中的沿晶不连续网状碳化物是造成晶界弱化的主要原因。焊接时在热影响区内交变应力的作用下,裂纹自铁素体和沿晶碳化物交界处萌生,扩展,产生焊接热裂纹。在950℃保温两小时后缓冷可避免产生热裂纹。     

随焊冲击碾压减小应力变形防止热裂纹应变场分析

随焊冲击碾压法(weld with Trailing Impact Rolling，WTIR)是一种降低应力、减小变形防止热裂纹的新方法。文中分析了在前后冲击碾压轮作用下，焊缝金属塑性流动和应变场的变化规律，揭示了这种方法的机理。前轮周面内凹，迫使焊缝金属由焊趾处向焊缝中心流动，对处于脆性温度区间的焊缝金属施加一个横向挤压塑性应变，减小甚至抵消致裂的拉伸应变，防止了焊接热裂纹的产生。后轮缘稍向外凸，将焊缝金属冷却产生的压缩塑性变形充分碾开，减小了工件的应力和变形。试验结果表明，随焊冲击碾压能有效地防止焊接热裂纹的产生，将试件的纵向挠曲变形与横向收缩变形量控制到常规焊接状态的1／10和1／5左右，同时能将薄壁构件焊接残余应力控制到非常低的水平，甚至由拉应力状态转变为压应力状态，验证了应变场分析的正确性。     

A356铸造铝合金的疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展研究

研究了A356-T6铸造铝合金的缺口疲劳裂纹萌生与早期扩展行为及机制.结果表明,热等静压试样的疲劳抗力优于非热等静压试样.对于钝缺口试样,疲劳裂纹萌生于缺口根部附近的多个平面,最终哪个裂纹源扩展成主裂纹取决于局部微观组织.对于缺口几何形状不同的热等静压和非热等静压疲劳试样,在疲劳过程中,不管是在高应力状态下,还是在低应力状态下,都出现了铝基体的循环塑性变形和共晶硅粒子断裂导致疲劳裂纹萌生.对于非热等静压试样,铸造缩孔在构件的疲劳过程中起着重要作用,但即使缺口根部存在较大尺度的铸造缩孔,导致了疲劳裂纹萌生,但也同时观察到疲劳裂纹从共晶硅粒子、金属间化合物、铝基体的滑移带和铁基金属间化合物等处萌生.对于脆性的A356铸造铝合金可采用修正的断裂力学参量ΔKn、局部应力范围Δσ或局部应变幅Δε/2作为控制参量来表征疲劳裂纹萌生行为,而缺口有效应力强度因子范围ΔKneff和ΔJs参量可用来表征缺口场中短裂纹扩展行为.     

SEM原位观察BT20钛合金激光焊接头的断裂行为

采用单边缺口试样用扫描电镜原位观察了BT20钛合金激光焊接头焊缝的裂纹萌生与扩展特征。焊后态试样裂纹一经萌生随即失稳断裂。焊后热处理试样经历了较长的裂纹亚稳扩展阶段，在切应力与正应力共同作用下，微裂纹沿滑移带萌生；裂纹扩展过程中遇到滑移带时发生偏转；新的微裂纹在裂纹尖端的滑移带相交处萌生，并随后与主裂纹相连。焊后热处理可显著提高激光焊接头的韧塑性。     

液压支架用Q890/Q960高强钢焊接裂纹敏感性研究

本文采用混合气体保护焊对Q890/Q960异种低合金高强钢进行焊接试验。研究了焊丝化学成分与焊接工艺对焊接接头裂纹率的影响,并对裂纹在接头中的扩展与止裂进行了分析。试验结果表明焊接裂纹主要出现在焊缝根部的熔合区,沿熔合区靠近焊缝侧扩展;选用合适的合金焊丝,采取焊前预热、焊后缓冷的工艺,控制焊接热输入可将接头裂纹率控制在合适的范围内;针状铁素体与板条马氏体的不均匀过渡及较大的应力集中是裂纹在焊缝根部熔合区萌生的主要原因;细小的针状铁素体能够阻碍裂纹扩展,有利于降低焊接接头的裂纹敏感性。     

平板焊接接头裂纹扩展中残余应力重分布的数值模拟

高强度钢平板焊接接头在焊趾处易萌生表面裂纹,裂纹的产生和扩展均会对其焊接残余应力产生一定的影响,进而影响残余应力对结构疲劳强度影响的评估。首先采用ANSYS的APDL语言编写平板焊接接头残余应力数值模拟程序,得到完整结构的初始焊接残余应力的分布规律。然后采用Zen Crack软件模拟半椭圆型初始表面裂纹,并分析结构在出现初始裂纹后残余应力的分布规律。最后施加循环疲劳载荷进行裂纹扩展分析,得到裂纹扩展中的残余应力的重分布规律。     

焊接冷裂纹起裂及扩展过程的声发射特性

由于焊接冷裂纹的萌生与扩展具有时间延迟性,使得对冷裂纹的检测较为困难。采用声发射测试技术,对15CrMoR材料制作的不同板厚和不同拘束焊缝长度斜Y型坡口对接焊接试件进行焊后自然冷却过程的声发射监测试验。试验结果表明:依据声发射撞击-时间、幅值-时间分布图,能够准确判别冷裂纹起裂点,确定试件焊后冷裂纹产生及扩展过程,且该过程具有焊接冶金过程、冷裂纹孕育过程、冷裂纹起裂点、微裂纹汇聚过程、主裂纹延迟扩展过程的"一点四过程"特征。     

超超临界锅炉水冷壁T23/12Cr1MoV异种钢焊接接头焊后热处理裂纹分析

分析了T23/12Cr1MoV异种钢焊接接头焊后热处理裂纹的宏观和微观特征、断口形貌及接头的显微组织,测试了接头的硬度分布,在此基础上讨论了裂纹的性质及形成原因,并提出了防止裂纹的措施。结果表明,裂纹启裂于T23钢侧焊趾部位,沿粗晶粒热影响区(CGHAZ)晶界扩展,为典型的再热裂纹。焊后热处理明显降低了异种钢焊接接头两侧热影响区的硬度,T23钢侧CGHAZ产生再热裂纹与其在焊后热处理过程中晶界析出碳化物有关,其析出促进了孔洞的形成。在焊后热处理前,对异种钢焊接接头进行一次550 ℃×1 h的中间热处理有利于抑制再热裂纹的产生。