低相变点焊条提高纵向焊接接头的疲劳性能

研制一种用于提高焊接接头疲劳强度的新型焊条———低相变点焊条 (LTTE) ,其熔敷金属的马氏体相变温度为 191℃ ,在焊态下 ,LTTE接头纵向焊趾部位获得 -2 5MPa的残余压缩应力。而普通焊条E5 0 15接头相同焊趾部位却为95MPa的残余拉伸应力。利用上述两种焊条分别焊接三种类型的纵向焊接接头 ,并进行疲劳试验。结果证明 ,在 2× 10 6循环次数下 ,LTTE焊接接头的疲劳强度分别比E5 0 15的提高 41%、47%和 5 9% ;在 162MPa的应力幅值下 ,LTTE焊接接头的疲劳寿命分别比E5 0 15的提高 9.9倍、9.6倍和 46.8倍。此外 ,低相变点焊条方法不需增加焊后处理工序 ,是一种有效提高纵向焊接接头疲劳性能的方法     

提高焊接接头疲劳性能的低相变点焊条焊趾熔修技术

在焊接接头疲劳试验的基础上,首次提出了用于提高焊接接头疲劳性能的低相变点焊条焊趾熔修技术。采用低相变点焊条LTTE和普通焊条E5015,分别对非承载十字接头和纵向环绕角焊缝接头实施焊趾熔修,进行疲劳性能对比,并与该两种形式接头的全LTTE焊缝接头疲劳性能进行比较。结果表明:相对于普通焊条E5015接头,低相变点焊条LTTE焊趾熔修技术可以有效地提高焊接接头的疲劳性能,其疲劳强度达到全LTTE焊缝接头的疲劳强度。这一技术降低了LTTE焊条的使用成本,为低相变点焊条在工程实践中的推广应用提供了一条有效途径。     

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。     

超声波冲击与TIG熔修复合强化改善高强钢焊接接头的疲劳性能

研究表明超声波冲击方法与TIG熔修方法在提高焊接接头疲劳性能机理方面存在着很强的互补性。提出一种对接头焊趾先进行一遍TIG熔修处理,然后再实施超声波冲击的复合处理新方法用来改善焊接接头的疲劳性能。对比疲劳试验结果显示:①在一定的应力范围内,超声波冲击处理试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高95％左右,疲劳寿命延长3.6-62倍。②TIG熔修试件与原始焊态试件相比,疲劳强度的改善程度高达34％左右;在较高应力范围内,疲劳寿命没有提高:在低应力范围内,延长疲劳寿命约为0.4—1.3倍。③超声波冲击+TIG熔修复合强化试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高120％左右,疲劳寿命延长28—125倍。④TIG熔修+超声波冲击复合处理能够在TIG熔修和超声波冲击处理的基础上,进一步改善焊接接头的疲劳性能;与单纯的超声波冲击相比,在高应力区域内,TIG熔修+超声波冲击复合处理一定程度上克服了单纯的超声波冲击对所处理的焊接接头疲劳性能改善程度大幅度降低的缺点。     

变幅载荷下超声冲击处理焊接接头的疲劳行为

为研究变幅载荷作用下超声冲击处理焊接接头的疲劳行为,采用非承载纵向角接接头进行了Q235B及16Mn钢原始焊态与超声冲击处理态的对比疲劳试验。试验结果表明：①在变幅载荷作用下,Q235B超声冲击处理试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高69%左右,疲劳寿命延长5.7～19.0倍。②在变幅载荷作用下,16Mn超声冲击处理试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高80%左右,疲劳寿命延长2.5～17.0倍。③在变幅载荷作用下,超声冲击处理焊接接头与原始焊态试件的疲劳性能均有所下降：Q235B超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3,原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的70%;16Mn超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3,原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的75%。④超声冲击处理焊接接头在承受强烈的变幅载荷时依然具有很高的疲劳强度。     

改善焊接接头疲劳强度超声冲击装置的研制及应用

使用超声波冲击焊趾来提高焊接接头及结构的疲劳强度,是国际上刚刚出现的一种新方法。本文对超声冲击方法的实验装置进行了研究,研制成功了一台可以用于实际冲击处理的样机,利用所研制的实验,对１６Ｍｎ钢几种焊接接头实施冲击处理,并进行了冲击处理前后的对比疲劳试验,１６Ｍｎ对接接头疲劳强度（２＊１０＾６）提高了９０％（拉伸）十字接头（拉伸）提高了６７％,能够延长疲劳寿命３０－１００倍以上。     

焊接残余应力对超声波冲击处理焊接接头疲劳性能的影响

采用含高值焊接残余应力的非承载纵向角接接头进行了Q235B钢焊态与超声波冲击态的疲劳对比试验,研究了焊接残余应力对超声冲击处理焊接接接头疲劳性能的影响规律。结果表明:焊接残余应力对超声波冲击处理后焊接接头疲劳性能的影响较小。使用不含高值焊接残余应力的小试件来评估超声波冲击处理对相同接头形式及板厚的大型焊接结构疲劳性能的改善程度可能是偏于安全的。     

承载超声冲击方法改善高应力比加载条件管接头疲劳性能

在高应力比R=0．5加载条件下采用T型管接头形式进行焊态、承载和非承载超声冲击处理试件的疲劳对比试验。试验结果表明:①在高应力比R=0．5加载条件下,管接头承受静载后再使用超声冲击方法对其进行处理仍然能够大幅度地延长焊接管接点的疲劳性能。②在承载超声冲击处理条件下,20钢T型管接头的疲劳强度(应力比R=0．5)提高了66％,疲劳寿命延长了3．8～4．0倍。③使用承载超声冲击处理这种工艺方法不仅可以在低中应力水平、中长寿命范围内改善焊接管接头的疲劳性能,也可以在高应力范围内改善其疲劳性能。这种工艺方法在一定程度上克服了承载前超声冲击方法对焊接接头疲劳性能改善程度在高应力区域内大幅度降低的缺点。     

超声波冲击对低合金高强钢焊后基材疲劳强度的影响

随为了研究超声波冲击技术对低合金高强钢焊接后基材疲劳强度的影响,自制14 mm厚Q355C板材作为焊接试件板材,焊接接头采用T型接头,取10件试板进行超声波冲击后进行疲劳试验测试,再取件未采用超声波冲击的试板直接进行疲劳测试作为对照。结果显示,焊态和冲击态的焊接试板失效形式均为焊趾处开裂;采用超声波冲击的试板疲劳寿命为85～110万次,比对照试板疲劳寿命50～70万次的循环次数提高了约60%;超声冲击处理态比原始焊态提高一个疲劳强度等级,由FAT80提高到FAT90。说明原始焊态和超声波冲击态T型接头的疲劳失效形式为焊趾处开裂,焊趾处的疲劳强度应低于母材的疲劳强度,焊缝焊趾为焊接结构的薄弱环节;经超声波冲击处理的Q355钢T型接头的疲劳强度在原始焊态的基础上有一定提升。超声冲击技术是一种高效的消除部件近表面缺陷、引进有益压应力的方法,其提高疲劳强度的原理结合了机械修磨和锤击的方式,设备轻巧方便,噪声和粉尘污染极小,基本无场地要求,且超声波冲击提高疲劳强度的程度相较于其他技术效果更加明显,是较理想的提高焊缝疲劳强度的方式。     

提高焊接接头疲劳强度的超声冲击法与TIG熔修法之比较

采用Q2 35B十字接头试件 ,就改善焊接接头疲劳强度的超声冲击法与TIG熔修法进行了全面对比。结果表明 :超声冲击处理对焊趾区硬度的影响不如TIG熔修明显 ;TIG熔修对焊趾几何外形的改善程度好于超声冲击法 ;TIG熔修处理工艺在焊趾区引入了残余拉应力 ,而超声冲击在焊趾区形成了较大数值的压缩应力。Q2 35B十字焊接接头经TIG熔修后 ,其疲劳强度 (2× 10 6)提高 5 1% ,低于超声冲击处理对相同试件的疲劳强度 (2× 10 6)改善程度 (6 4% )。     

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.     

残余应力对对焊接头疲劳性能的影响

利用线弹性断裂力学（ＬＥＦＭ）理论、迭加原理和有限元分析方法,就残余应力对对焊接头的疲劳性能的影响进行了理论分析。采用有限板中边界裂纹及中心穿透裂纹的Ｂｕｅｃｋｎｅｒ及Ｋａｎａｚａｗａ权函数,计算对应对焊接头中的各种残余应力分布的残余应力强度因子。建立了考虑不同残余应力水平影响的表面裂纹疲劳模型,估算对焊接头疲劳寿命及疲劳强度,并与试验数据进行比较验证。     

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。     

CO2 laser welding of zinc-coated steel sheets

Welding of zinc-coated steel sheets for the automotive industry has been investigated experimentally and theoretically, using a continuous wave 2 kW CO₂ laser. The specimens of 0.8, 1.0 and 1.2 mm thickness were welded as butt joint and lap joint. Argon gas was shielded co-axially to reduce the plasma and to protect the molten, pool from atmosphere. The mechanical tests of specimens were carried out to investigate the ductility of welds in butt joint and lap joint, using the Erichsen test, ball punch test and tensile shear test. The value of transverse weld pattern is higher than others. The fatigue life of longitudinal weld is superior, but that of circular weld pattern is inferior due to the high tensile residual stresses in the weld. The maximum Erichsen value was obtained as 96% and the deformability of zinc coated steel butt-welded was found to be 80% in the ball punch test. The high pressure formed by vaporization of zinc with the low boiling temperature during laser lap-joint welding splattered the molten pool and created porosities in the weld. The optimum gap was calculated to be 0.1 mm in the lap joint welding of zinc-coated steel sheet which was a good agreement with the experimental result.     

Aluminum 6060-T6 friction stir welded butt joints: fatigue resistance with different tools and feed rates

The fatigue behavior of AA6060-T6 friction stir welded butt joints was investigated. The joints were produced by using both a standard and a threaded tri-flute cylindrical-tool with flat shoulder. The friction stir welding process was carried out using different feed rates. Preliminary tensile tests, micrograph analyses and hardness profile measurements across the welds were carried out. Welded and unwelded fatigue samples were tested under axial loading (R = 0.1) with upper limits of 10⁴ and 10⁵ cycles, using threaded and unthreaded (standard) tools at different feed rates. The best tensile and fatigue performance was obtained using the standard tool at low feed rate.     

提高焊接接头疲劳强度的超声冲击法与TIG熔修法之比较

采用Q2 35B十字接头试件 ,就改善焊接接头疲劳强度的超声冲击法与TIG熔修法进行了全面对比。结果表明 :超声冲击处理对焊趾区硬度的影响不如TIG熔修明显 ;TIG熔修对焊趾几何外形的改善程度好于超声冲击法 ;TIG熔修处理工艺在焊趾区引入了残余拉应力 ,而超声冲击在焊趾区形成了较大数值的压缩应力。Q2 35B十字焊接接头经TIG熔修后 ,其疲劳强度 (2× 10 6 )提高 5 1% ,低于超声冲击处理对相同试件的疲劳强度 (2× 10 6 )改善程度 (6 4% )。