雙孔微剪切法評(píng)定焊接接頭局部力學(xué)性能.pdf

1、焊接接頭普遍存在力學(xué)性能的不均勻性。具體體現(xiàn)在焊縫金屬與母材金屬的高匹配和低匹配，以及細(xì)晶粒鋼熱影響區(qū)的局部軟化等。這種力學(xué)性能的差異與不均勻性，對(duì)接頭的強(qiáng)度及斷裂韌性有著重要的影響。近年來(lái)，研究的焦點(diǎn)都集中在接頭力學(xué)性能不均勻性對(duì)焊接構(gòu)件的斷裂韌度參數(shù)（CVN、CTOD和J）、力學(xué)斷裂行為、延-脆性轉(zhuǎn)變行為、結(jié)構(gòu)、缺陷評(píng)定及使用性能等方面的影響。有關(guān)用于工程上的力學(xué)性能不均勻焊接接頭的整體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及韌性評(píng)定的方法的研究較少。因此，開展

2、焊接接頭局部力學(xué)性能評(píng)定方法的研究，對(duì)于焊接接頭的強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定具有重要的意義。
　　焊接接頭熱影響區(qū)是整個(gè)接頭最薄弱的環(huán)節(jié)，其寬度僅有零點(diǎn)幾個(gè)毫米，在這狹小區(qū)域內(nèi)的韌性又可分為粗晶區(qū)韌性和細(xì)晶區(qū)韌性。建立焊接接頭微區(qū)性能評(píng)定方法，需要獲得0.3 mm位置精度下的力學(xué)性能，而常規(guī)的微區(qū)力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法，如小沖桿法、微剪切法、壓痕法等，很難準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文創(chuàng)新性的提出一種新型的檢測(cè)焊接接頭局部力學(xué)性能的方法—雙孔微

3、剪切法，該方法無(wú)須制備試樣，直接在待測(cè)區(qū)鉆兩孔，兩孔之間的區(qū)域形成小梁，對(duì)其進(jìn)行剪切試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭的局部強(qiáng)度和韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)。研制了試驗(yàn)裝置，可對(duì)在線服役設(shè)備的局部力學(xué)性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，對(duì)這種測(cè)試方法進(jìn)行相關(guān)的理論分析。
　　研究在以下幾個(gè)方面獲得了一些結(jié)果：
　　(1)根據(jù)雙孔微剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊接接頭局部力學(xué)性能的要求，通過(guò)三種試驗(yàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，研制了可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的試驗(yàn)裝置。基本由驅(qū)動(dòng)加載剪切單元、位移-載荷檢測(cè)

4、單元、裝置固定單元、電路控制單元四部分組成。可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭各微區(qū)力學(xué)性能的檢測(cè)。
　　(2)研究剪切間隙、剪切厚度和加載速率三個(gè)參數(shù)對(duì)測(cè)量重復(fù)性的影響。一定范圍內(nèi)，加載速率對(duì)剪應(yīng)力的影響作用較小，當(dāng)剪切間隙在0.3～0.8 mm之間，剪切厚度在0.1～0.52 mm之間時(shí)，最大剪應(yīng)力和屈服剪應(yīng)力值比較穩(wěn)定。
　　(3)建立了雙孔微剪切試驗(yàn)的有限元模型，結(jié)合有限元模擬計(jì)算，得到與實(shí)驗(yàn)相吻合的載荷-位移曲線。分析了雙孔微剪切從

5、塑性變形直到斷裂的力學(xué)行為。得到了剪切變形過(guò)程的Mises、最大主應(yīng)力及斷裂階段的應(yīng)力三軸度值分布規(guī)律。根據(jù)最大主應(yīng)力、應(yīng)力三軸度分布特點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)初始裂紋的發(fā)生點(diǎn)。并利用有限元模擬，將不同剪切間隙和剪切厚度對(duì)小梁區(qū)域的測(cè)量精度的影響進(jìn)行分析。
　　(4)結(jié)合有限元分析的方法，對(duì)材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究，給出了利用雙孔微剪切試驗(yàn)直接獲得接頭屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式。對(duì)關(guān)系的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。雙孔微剪切實(shí)驗(yàn)獲得屈服強(qiáng)度誤差

6、小于1.6％，加工硬化指數(shù)誤差小于6.6%。
　　(5)借助不同熱輸入的熱模擬試驗(yàn)技術(shù)，獲得以X70管線鋼不同強(qiáng)度和韌性的試樣，并結(jié)合U71鋼軌母材進(jìn)行系列溫度下的韌性測(cè)量。利用設(shè)計(jì)的低溫雙孔微剪切試驗(yàn)裝置獲得溫度—剪切功曲線，該曲線有上下平臺(tái)和明顯的韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)。將試樣剪切功與沖擊功進(jìn)行對(duì)比分析，與溫度-沖擊功曲線有相似性。雙孔微剪切試驗(yàn)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TDHM較沖擊試驗(yàn)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TCVN(50%FATT)低。
　　(6)

7、對(duì)X70管線鋼、U71Mn鋼軌的剪切斷口形貌進(jìn)行分析，隨著溫度的降低，圓角帶區(qū)域在減小，剪切帶面積下降，撕斷帶面積增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TDHM對(duì)應(yīng)的撕斷帶面積約為60%，剪切帶面積約為40%。
　　(7)應(yīng)用有限元法，對(duì)剪切斷裂過(guò)程的微觀機(jī)理進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)了材料在剪應(yīng)力作用下的變形行為，材料在斷裂前三向應(yīng)力度-0.4～1.2之間，較缺口尖端的三向應(yīng)力度值大。解釋了利用雙孔微剪切斷裂帶的面積來(lái)判斷韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的微觀機(jī)理。論證了雙

8、孔微剪切試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)焊接接頭微區(qū)韌性的可行性，為雙孔微剪切試驗(yàn)方法今后的研究和工程應(yīng)用提供參考。
　　(8)選擇超窄間隙焊接方法對(duì)X70管線鋼、430鐵素體不銹鋼進(jìn)行焊接，對(duì)U71Mn鋼軌進(jìn)行閃光對(duì)焊法焊接。對(duì)不同焊接方法下的焊接接頭進(jìn)行雙孔微剪切試驗(yàn)，得到接頭局部區(qū)域的強(qiáng)度及剪切功與溫度的關(guān)系曲線分布?？芍?，X70管線鋼窄間隙焊接接頭屬于低匹配接頭，焊縫中心的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TDHM最低（-80℃），430不銹鋼母材與焊縫屬于高匹配