（材料加工工程专业论文）不锈钢焊接接头疲劳失效评定方法研究.pdf

天津大学硕。l 学位论文 中文摘要 本文通过焊接接头疲劳试验对s a f 2 2 0 5 双相不锈钢和1 c r l 8 n i 9 t i 训焊接接 头s 曲线进行了详细分析，并将其试验结果进行了比较，讨论了焊接材料及 试样接头型式对s 曲线的影响。试验结果表明：s a f 2 2 0 5 和1 c r l8 n i 9 t i 不锈 钢焊接试样的常数m 和n = 2 x 1 0 6 疲劳强度与国际焊接学会( i i w ) 推荐的数值有较 大差异，采用i i w 的d 曲线对本文不锈钢焊接试样进行疲劳评定时，将给出 过于保守的结果；接头型式不同导致焊接接头局部应力集中有较大差异，因而 列采用名义应力表示的娶曲线有明显影响。 为了研究焊接接头残余应力对接头疲劳强度的影响，本文采用a n s y s 软件 计算焊接残余应力。首先模拟接头的焊接温度场，在此基础上计算接头残余应 力，并且分析研究了焊接接头尤其是疲劳断裂危险区的残余应力分布特征。结 果表明：对于本文的d 型接头焊根处存在较高的残余应力值；其计算结果与有 限元网格划分有一定的依赖性。 本文采用d a n gv a n 准则和体积法两种局部法从理沦上对s a f 2 2 0 5 双相不锈 钢和】c r l 8 n i 9 t i 钢焊接接头的疲劳性能进行评定。 法国金属研究所提出了用于角焊缝的局部疲劳极限准则d a n g v a n 准则， 考虑焊接残余应力，用准则中j j j a n o s e h 提出的持久限公式对，f 坡口承载十字接 头( d 型) 的疲劳强度进行评定。讨论了d a n gv a n 准则评定的各种影响因素及其 适用性。结果表明：对于本文的d 型接头，评定后的特征疲劳强度与d a n gv a n 准则的建议值有一定的差异。经研究发现，有限元网格尺寸的选择及其焊根处 的未焊透缺陷都会影响最终的计算结果。 体积法是近年来提出的一种疲劳强度和疲劳寿命预测方法。本文应用体积法 对不锈钢的四种不同型式的焊接接头疲劳强度进行了评定研究，对该方法的适 用性和有限元计算过程影响因素进行了分析讨论。结果表明：对焊态焊接接头， 体积法局部平均应力a o a v e l l l 参量为具有一定普遍意义的疲劳控制参量，由一。f 。表示的焊接接头疲劳强度与接头型式无关：对有限元网格大小和焊接接头材料 的不同有一定的依赖性。同时结合d a n gv a n 准则对体积法进行修证，采用修正 的体积法再次对s a f 2 2 0 5 双相不锈钢两种接头的疲劳寿命进行评定，计算结果 验证了修正体积法的合理性和有效性。 关键词：不锈钢，焊接接头，疲劳强度，残余应力，d a n g v a n 准则，体积法 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t s nc u r v e so fw e l d e d3 0 i n t sm a d eb ys a f 2 2 0 5t w o p h a s es t a i n l e s ss t e e la n d 1 c r l 8 n i 9 t ia u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e la r es t u d i e db a s e do nt h er e s u l t so f f a t i g u et e s t s t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tm a t e r i a lf o rw e l d e d j o i n ta n dt h ej o i n tg e o m e t r yo ns - n c u r v ei sd i s c u s s e db yc o m p a r i s o nw i t ht h et e s tr e s u l to fw e l d e dj o i n t so ft h et w o m a t e r i a l s i ti n d i c a t e st h a tt h ec o n s t a n tma n dt h ef a t i g u er e s i s t a n c ev a l u ew h i c hi sa t2 1 0 。c y c l e s a r ed i f f e r e n tf r o mt h ev a l u er e c o m m e n d e db yi i wo b v i o u s l y t h e f a t i g u ea s s e s s m e n tr e s u l to fs t a i n l e s ss t e e lw e l d e dj o i n t st h a t i s g i v e nb yi i ws - n c u r v ei sc o n s e r v a t i v e i na d d i t i o n ，t h ed i f f e r e n t j o i n tg e o m e t r i e sl e a dt ot h ed i f f e r e n c e o fl o c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o no fw e l d e dj o i n t s ，s on o m i n a ls t r e s ss nc u r v ei sa f f e c t e d e v i d e n t l y i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sf o rt h ef a t i g u e p e r f o r m a n c eo ft h ew e l d e dj o i n t s ，t h ew e l d i n gr e s i d u a l s t r e s si sc a l c u l a t e db yt h e s o f t w a r ea n s y s f i r s t l y ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do fw e l d e d j o i n t si ss i m u l a t e db a s i n g o nt h e r e s u l t ，t h ew e l d i n g r e s i d u a ls t r e s si s c a l c u l a t e d ，a t t h es a m et i m e ，t h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr e s i d u a ls t r e s s ，w h i c hf o rt h ew e l d e dj o i n t se s p e c i a l l y f o rt h ef a t i g u ef r a c t u r ez o n e ，a r es t u d i e d i ti n d i c a t e st h a tt h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s o f t h ed j o i n t si nh e r ei sh i g h ，a n dt h er e s u l td e p e n d so nt h em i n i m u mf es i z e i nt h et h e o r i e s ，d a n gv a nc r i t e r i o na n dv o l u m e t r i ca p p r o a c h ( v a ) a r em a i n l y d i s c u s s e d d a n g v a nc r i t e r i o ni sa d v a n c e db yt h ef r e n c h w e l d i n gi n s t i t u t e ，w h i c hi su s e dt o e v a l u a t et h el o c a lf a t i g u el i m i to ff i l l e tw e l d c o n s i d e r i n gt h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ， t h ef a t i g u ea s s e s s m e n to fd j o i n t si sr e s e a r c h e db yt h ej j j a n o s c hf o r m u l a ，a n dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o ra n dt h ea p p l i c a b i l i t y a r ed i s c u s s e d i ti n d i c a t e st h a tt h e r ei sa d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i cf a t i g u er e s i s t a n c et h a ti st h ea s s e s s m e n tr e s u l t a n dt h ev a l u a t i o nt h a ti sa d v a n c e db yd a n gv a nc r i t e r i o n a f t e rr e s e a r c h i n g ，i t d i s c o v e r st h a tt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sa r ea f f e c t e db yt h em i n i m u mf es i z ea n dt h e w e l d i n g d e f e c t v o l u m e t r i ca p p r o a c h ( v a ) i so n eo ft h em e t h o d sp r o p o s e di nr e c e n ty e a r st h a t u s e df o rt h ef a t i g u ea s s e s s m e n ta n df a t i g u el i f e p r e d i c t i o n t h ev o l u m e t r i ca p p r o a c h i sa p p l i e dt ot h ef a t i g u ea s s e s s m e n to fw e l d e dj o i n t si ns t a i n l e s ss t e e lw i t hf o u rt y p e s 灭津大学碳士学位论文 o fg e o m e t r i c a lm o d e si nh e r e a n di t sf e a s i b i l i t ya n dt h ee f f e c to ft h ef i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o no i lt h i sm e t h o dw e r ed i s c u s s e di tw a ss h o w nt h a t ，f o rw e l d e dj o i n t s ，v a l o c a la v e r a g es t r e s sa a a v e l n i sa nu n i v e r s a lf a t i g u er e s t r a i n i n gp a r a m e t e r ，t h ef a t i g u e i n t e n s i o ne x p r e s s e db y a 口“e 【n i si n d e p e n d e n to ft h e j o i n tg e o m e t r i e s ，a n dd e p e n d e n t o ft h em i n i m u mf es i z ea n dt h em a t e r i a l s t h er e s u l tc a no f f e rt h ei m p o r t a n tg i s tf o r p r e d i g e s t i n g t h e t h t i g u e a s s e s s m e n t o fw e l d e dj o i n t s a tt h es a m et i m e ，v ai s m o d i f i e dw i t ht h ed a n gv a nc r i t e r i o n ，a n di ti sa p p l i e dt ot h ef a t i g u ea s s e s s m e n to f w e l d e d j o i n t si nd u p l e xs t a i n l e s ss t e e ls a f 2 2 0 5 w i t ht w o t y p e so fg e o m e t r i c a lm o d e s i nh e r e ，t h e r a t i o n a l i t ya n da v a i l a b i l i t ya r ep r o v i n gb y t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l ，w e l d e dj o i n t s ，f a t i g u er e s i s t a n c e ，r e s i d u a ls t r e s s ，d a n g v a nc r i t e r i o n ，v o l u m e t r i ca p p r o a c h ( v a ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔连盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字日期：。聊乡年应月- 3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘差有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翱l 导师签名 签字曰期：& 卯：；年归月乎护日签字日期：一。3 年i ，月一日 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量分数( w 。) 大于1 2 合 金i 素的钢材，它在空气作用下能保持金属光泽，也就是具有不锈钢的特性。 不锈钢有普通( 一般) 不锈钢和耐蚀钢两种：在空气或弱介质中能抵抗侵蚀的 钢称为耐蚀钢。不锈钢不仅具有很强的化学稳定性，同时也有足够的强度和塑 性，并且在一定高度和低温下具有稳定的力学性能。 由于不锈钢具有上述独特的性能，不难想象它在国民经济中所占有的地位。 特别是高科技发展的今天，不锈钢被广泛使用在各个不同的领域中。它可作为 化学工业、炼油工业、人造纤维工业、食品、医药及日用品工业的耐酸、耐碱、 酬高压的压力容器装置和储存和运行的槽罐的材料；也可作为电力工业、汽轮 机制造行业、船舶工业、航空工业的耐高温和低温的构件；在航天：【业、核工 业中又是制造人造卫星、宇宙飞船、火箭和核动力装置等方面不可缺少的材料； 随着国民经济的日益发展，人民生活水准的不断提高，不锈钢日用制品也已深 入到千家万户。 不锈钢的分类方法有几种：按金相组织分类为：铁素体( f ) 型不锈钢、马 氏体( m ) 型不锈钢、奥氏体( a ) 型不锈钢、奥氏体一铁素体( a f ) 型双相 不锈钢、奥氏体一马氏体( a m ) 型双相不锈钢和沉淀硬化( p h ) 型不锈钢。本 文研究的s a f 2 2 0 5 双相不锈钢和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢均属刁i 锈钢的一种：奥氏体 一铁素体( a f ) 型双相不锈钢和奥氏体( a ) 型不锈钢。 所谓奥氏体一铁素体型双相不锈钢是指奥氏体与铁索体各约占5 0 的不锈 钢。它的主要特点是屈服强度可达4 0 0 5 5 0 m p a ，是普通不锈钢的2 倍，因此 可以节约用材，降低设备制造成本。双相不锈钢具有良好的焊接性，与铁素体 不锈钢及奥氏体不锈钢相比，它既不象铁素体不锈钢的焊接热影响区，由于晶 粒严重粗化而使塑韧性大幅度降低，也不象奥氏体不锈钢那样，对焊接热裂纹 比较敏感。因此，奥氏体一铁素体双相不锈钢在石油化工设备，海水与废水处 理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域获得越来越广泛地应用。 与此同时，不锈铡在焊接领域也得到了广泛的应用。可以说工业生产中焊接 天津大学硕i ：学位论文 是最主要的连接方法，i i 从2 0 世纪初涂药焊条发明至今一百年来，焊接已经成 为应用最为f 。泛的工艺方法，当代许多最重要的金属结构必须采用焊接方法才 能连接成功，例如：造船、铁路、汽车、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层 建筑都离不玎焊接技术。 疲劳强度是不锈钢焊接接头在实际使用中非常重要的一个技术指标，它标志 着接头疲劳性能的好坏，为保证不锈钢焊接构件的安全性及i i j 靠性，研究其疲 劳行为是非常必要的。因此，发展和建立准确的不锈钢焊接接头疲劳强度与寿 命评定方法是工程界关注的重要问题。 1 2 焊接接头疲劳强度评定方法 焊接结构的疲劳强度主要由以下两点决定： 裂纹萌生过程，它取决于焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态； 裂纹扩展过程，它取决于裂纹( 包括缺口效应在内) 的局部应力强度因子。 焊趾和焊根的缺口效应与熔台区内材料的不均匀性共存，该材料由焊接材料 与熔化及未熔化的母材组成，焊后该区内温度急剧下降，因而可能产生微小的 气孔、央渣、未焊透及咬边，这些虽不算严重的焊接缺陷，但在有较大的缺口 应力时却能加速裂纹的萌生与扩展过程1 2 l 。 焊接构件的最大缺口应力和( 裂纹) 应力强度因子决定其疲劳强度。从实用 考虑，只要最大缺口应力和应力强度因子与基础应力存在正比关系，便可以认 为它们仅取决于相邻母材的名义应力而不取决于静载下起决定性作用的焊缝和 焊点名义应力。一般来说，疲劳强度并不与焊缝厚度或焊点直径成正比，设计 焊接结构时也总是力求使疲劳裂纹发生在母材上而不是在焊缝或焊点的横截面 上。事实l ，发生在焊缝或焊点处的疲劳裂纹多数都会进入焊接热影响区或母 材之中。对于不直接承载的焊接接头也应给出母材的名义应力而不考虑焊缝或 焊点名义应力。 e b 于疲劳断裂过程中局部最大应力起着主导作用，凼此焊接接头和焊接结构 的疲劳强度分析，目前主要有以下5 种方法： ( 1 ) 名义应力评定方法 名义应力评定方法是用简单公式进行计算来判断焊接接头承载横截面上的 名义应力( 轴向力除以横截面，弯矩或扭矩除以有关截面模量) 是否小于疲劳 断裂时的持久名义应力。持久名义应力或许可名义应力可根据焊接接头的形状、 第一章绪论 尺寸、焊缝类型、加载情况以及制造加工影响( 例如表面修】1 4 j n ：情况及缺陷) 等因素从焊接疲劳设计标准的有关图表中查找。名义应力评定方法是日前焊接 构件疲劳评定心用十分广泛的基本方法。 ( 2 ) 结构应力评定方法，也称热点应力分析方法 名义应力虽然是目前应用最广泛的方法，但它存在着一定的局限性：主要是 基f 名义应力的d 曲线直接依赖于焊接接头形式和载荷类型等因素，这使得 焊接结构疲劳评定规范十分繁琐，列复杂结构名义应力的定义比较困难。这主 要是因为“名义应力”参数不是一个具有普遍意义的疲劳控制参量，它与具体 的结构细节尺寸等因素直接相关，因而所测量的o 曲线只是一种具体结构细 节的疲劳性能，而不具有普遍适用性。为了克服上述局限性国际焊接学会等引 入了“热点应力”为基础的疲劳评定方法，以减少孓曲线的分散性和对接头 类型的依赖性。 热点应力评定方法要求除名义应力外还应确定焊接结构( 受外载作用但无缺 口效应) 中的( 非均匀) 结构应力分布情况。为此，可按照工程结构分析理论 ( 如杆、梁、刚架、板壳理论等，多数情况下使用有限元近似计算) 进行计算， 也呵用试验方法进行表面局部应变测量，换算为焊趾处的结构应力。 ( 3 ) 缺口应力评定方法 缺口应力评定方法要求除名义应力和结构应力之外还应确定焊趾和焊缝根 部( 如可能) 的缺口应力集中。在确定缺口应力集中时，可用应变片对焊趾或 其平面光弹模型进行测量，也可用有限元方法或边界元方法进行计算。为简单 起见，计算时主要采用平面横截面模型，计算结果经变换之后可以近似反映实 际的三维情况。此外，由整体结构焊缝线上的边界应力( 即结构应力) 也可得 出局部结构( 即“接头”) 的缺e l 应力。这种方法已成功地用于非焊接结构，在 焊接结构分析中迄今仍只用于某些特殊的场合。 ( 4 ) 断裂力学分析方法 焊接结构( 特别是焊趾和焊缝根部) 中的裂纹和缺陷可基于裂纹尖端处的应 力强度因子加以计算。双面角焊缝接头中的间隙亦可直接作为宏观裂纹进行估 算以代替缺口应力分析。裂纹随着循环次数增大而进行的稳定扩展以及最终发 生断裂时裂纹的临界尺寸，均可由裂纹尖端处应力强度因子的幅值加以确定。 这种对结构中不可避免的缺陷或裂纹所作的安全性分析，一般不能用作尺寸设 汁的依据，它主要用于对质量要求很高的焊接结构。这种方法尚需实践验证。 天津火学7 i j ；h 学位论文 ( 5 ) 局部法 “局部法”的基本原理是，焊接接头的疲劳破坏都是从应力集中处的最大应 力处丌始的，局部循环载荷是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件，只要局部循环 参最相同，就具有相同的疲劳性能。这样采用应力集中区域应力场的“局部参 量”作为疲劳断裂的控制参量，将不同应力集中焊接构件的疲劳性能与光滑试 件的疲劳性能联系起来，建立具有普遍适用性的“局部参量”与循环次数表 示的s 一曲线，从而消除名义应力法所具有的局限性。“局部法”是对基于上述 思路所建立的疲劳评定方法的概括口j 。 最先提出局部法思想的是法国焊接研究所的d a n g v a n s ，他提出了用于角焊 缝的局部疲劳评定准则，称之为d a n gv a n 准则。在第三章中我们将对此方法进 行具体的介绍。后来人们在此基础上又提出了一些新的方法。如缺口应力强度 因子法、等效应力强度因子法、临界距离法、临界面法利体积法等。本文的第 四章就是采用体积法对焊接接头进行评定。由于局部法包括了焊接接头局部焊 缝细节等因素的影响，能够准确反映焊接结构疲劳断裂的实际情况，因而受到 国际焊接协会( i i w ) 和工程界的普遍重视。 1 3 焊接接头疲劳强度的主要影响因素 1 3 1 应力集中的影响h 5 1 一些焊接结构，虽然依据有关标准进行了结构的疲劳强度计算，但结构仍过 早地发生疲劳失效，这时疲劳裂纹一般从结构的应力集中处丌始。在焊接结构 中，结构元件设计不佳，接头形式不合格和焊接缺陷是应力集中的根源。 ( 1 ) 由焊接构件引起的应力集中及其对焊接结构疲劳强度的影响，焊接构件 设计中，具有许多方案可供设计者选择，良好的设计可以带来不可估量的益处， 而设计方案不佳也可导致结构过早的发生各种失效，包括疲劳失效。 ( 2 ) 接头类型的影响 焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、t 形接头和搭接接头，在接 头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。 可以预测对接接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度 也将高于其他接头形式。但试验表明，对接接头的疲劳强度在很大范围内变化。 第一帝结论 这是因为有系列冈索影响对接接头的疲劳性能的缘故。如试件的尺寸、坡口 形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后焊缝加工、焊后热处 理等均会对其发生影响。 十字接头和t 形接头在焊接结构中应用广泛。在这种承力接头中，由于在焊 缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头应力 集中系数高。因此，十字接头和t 形接头的疲劳强度要低于对接接头。焊缝不 承受工作应力的t 形和十字接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要承载平板交 界处的应力集中，t 形接头具有较高的疲劳强度，而十字接头的疲劳强度较低。 搭接接头的疲劳强度是很低的，这是由于力线受到了严重的扭曲。采用所谓 “加强”盖板的对接接头是极不合理的，因为采用盖板后，加大了应力集中的 影响，因此原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了。 ( 3 ) 焊缝形状引起的影响 a 过渡角的影响 y a m a g u c h i 等人建立了疲劳强度和母材金属与焊缝金属之间过渡角( 外钝角) 的关系。如果 ( 焊缝高度) 与w ( 宽度) 的比值即h w 保持不变，允许和h 变化，这意昧着夹角保持不变，焊接接头的疲劳强度也保持不变。但当矿保持 不变，变化参量h ，则发现h 增加，接头疲劳强度降低，这显然是外夹角减小的 结果。 b 焊缝金属过渡角半径的影响 焊缝过渡角半径同样对接头疲劳强度具有重要影响。即半径增加( o 角保持 不变) ，疲劳强度增加。 ( 4 ) 缺陷引起的影响 一些缺陷本身是应力集中的根源，因而对结构和接头的疲劳强度产生显著影 响，焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位罱有关。缺陷大 体匕可分为两类：面状缺陷( 如裂纹、未熔合等) 和体积型缺陷( 气孔、夹渣 等) ，它们的影响程度是不同的。 a 裂纹 焊接中的裂纹，如冷、热裂纹，除具有脆性的组织结构外，是严重的应力集 中源，它可大幅度降低结构或接头的疲劳强度。早期的研究已表明，在宽6 0 m m 、 厚1 2 7 m m 的低碳钢对接接头试件中，在焊缝中具有长2 5 m m 、深5 2 m m 的裂纹 时( 它们约占试件横截面积的1 0 ) ，在交变载荷条件下，其2 1 0 0 循环寿命的 天津人学坝 一学位论文 疲劳强度大约降低了5 5 6 5 。 b 未焊透 应当说明，不定把未焊透均认为是缺陷，因为有时人为地要求某些接头为 局部焊透，典型的例子是某些压力容器接管的设计。未焊透缺陷有时为表面缺 陷( 对单面焊缝) ，有时为内部缺陷( 双面焊缝) ，它可以是局部性质的，电i | 以是整体性质的。其主要影响是削弱截面和引起应力集中。当削弱面积1 0 h j + ， 在2 x 1 0 6 循环次数下它的疲劳寿命与不含有该类缺陷的疲劳寿命相比，降低约 2 5 ，这意味着其影响不如裂纹严重。还应指出，如果存在有未焊透缺陷，表面 j j t ) j w _ - 2 变得毫无意义，因为疲劳裂纹将不在余高和焊趾处起始，而是转移到焊 缝根部未焊透处。 c 未熔合 由于试样难以制备，目前有关研究结果很少。但无可置疑，未熔合属于平面 缺陷，因而不容忽视，一般将其和未焊透等同对待。 d 咬边 影响疲劳强度的主要参量是咬边深度，目前可用深度h 或深度和扳厚的比值 ( h b ) 作为参量来评定咬边对接头疲劳强度的影响。因为后者是无量纲因子， 因而为其应用带来方便。有关研究表明，咬边对接头疲劳强度有一定的影晌， 但程度较轻：对于角焊缝来说，焊缝形状变化对接头疲劳强度的影响甚至大于 常见深度咬边的影响。 e 气孔 气孔属于体积缺陷，因而难以采用断裂力学方法进行评定。h a r r i s o n 对前人 的有关试验结果进行了分析总结：疲劳强度下降主要是由于气孔减少了横截面 积尺寸造成的，它们之间有一定的线性关系。但是一些研究表明，当采用机加 工方法加工试件表面，使气孔处于表面上时，或刚好位于表面下方时，气孔的 不利影响加大，它将作为应力集中源起作用，而成为疲劳裂纹的起裂点。这说 明2 气孔的位嚣比其尺i r 对接头疲劳强度影响更大，表面或表层下气孔具有最不 利影响。 f 夹渣 i i w 的有关研究报告表明：作为体积型缺陷，夹渣比气孔对接头疲劳强度影 响要大。 1 - 3 2 焊接残余应力的影响【4 1 6 】 6 第一章绪论 焊接残余应力对于结构疲劳强度的影响是人们广为关心的问题，为此人们进 行了大量的试验研究工作。就疲劳而言，焊接结构中焊接接头几何非连续性和 焊接缺陷等引起应力集中的部位经常位于高残余拉应力区，采用近似叠加原理 来研究残余应力对疲劳应力循环特征的影响。研究表明不管疲劳载荷如何，焊 缝区的承受的实际应力循环是从拉伸屈服应力向下脉动变化。这一分析所揭示 的特性对研究焊接结构的疲劳性能是特别重要的。美国里海大学j w f i s h e r 教授 采用带有各种焊接细节的焊接工字梁进行了大量的试验，证明用应力范围一，作 为疲劳应力参数时，可以忽略平均应力对疲劳强度的影响。 有关残余应力对疲劳强度的影晌，人们常用原焊态试样和残余应力试样进行 对比试验。较早期的试验采用较窄的试板，特别是横向对焊态试样，在磨掉焊 缝余高后，或者先焊成大板在切割加工制成试样，其残余应力峰值已有很大降 低，因此，消除应力后的疲劳强度并没有很大的提高。 在消除残余应力的焊接构件中，在完全压一压循环载荷作用下，一般不会产 生疲劳裂纹。然而，在由高拉伸残余应力的结构中，即使完全压应力循环，也 可能产生疲劳裂纹。 1 3 3 材料强度的影晌 4 对焊接接头来说，大量的对接、角接接头和焊接梁的试验表明，它们的疲劳 强度对材料本身的抗拉强度依赖性不大。试验表明对于抗拉强度在4 3 8 7 5 3 m p a 之间的不同钢种的非承载角焊缝，当循环寿命大于1 0 5 次时，疲劳强度均在一分 散带内，这表明它们与材料原来强度无关。 1 4 本文的研究目的及内容 由于不锈钏具有一些独特的性能，在国民经济中占有极其重要的地位，不锈 俐在焊接领域也得到了越来越广泛的应用。焊接接头的疲劳性能是影响焊接结 构的重要特性，与结构钢焊接接头比较，不锈钢焊接的疲劳数据相对较少，尤 其对双相不锈钢焊接接头，其疲劳数据更为缺乏。为此本文采用不同的接头型 式对双相铡和奥氏体不锈钢的疲劳性能从试验和理论两个方面进行了研究。 本文的主要研究内容为： ( 1 ) 采用传统手工电弧焊法制备双相不锈钢s a f 2 2 0 5 、奥氏体不锈钢 天津大学坝士学位论文 1 c r l8 n i 9 t i 的四种不同形式的焊接接头，并对焊后各试样进行几何j t 寸的测量， 确定焊缝几何尺、j 。、焊趾角度及焊趾半径等参数，统计分析了这些参数的变化 规律。在此基础上对各试样进行拉一拉疲劳试验，应力比r = 0 1 ，通过疲劳试验 数据及娶曲线，分析两种不锈钢的疲劳强度并对其进行比较，讨论了接头型 式、钢材等因素对焊接接头疲劳强度的影响。 ( 2 ) 依据承载角焊缝十字接头的实测尺寸建立三维有限元模型，采用a n s y s 软件模拟接头的焊接温度场，在温度场的计算结果基础上计算十字接头j 三维残 余应力场，分析讨论了十字接头尤其是疲劳断裂危险区的残余应力场分布特征， 为应用d a n gv a n 准则局部法进行十字接头疲劳评定提供基础。 ( 3 ) 考虑焊接残余应力，在残余应力的计算结果基础上，用j j j a n o s c h 提出 的修难d a n gv a n 准贝q 对十字焊接接头的疲劳强度进行评定。讨论了修难d a n g v a n 准则评定中的各种影响因素及其适用性。 ( 4 ) 用体积法对试验制备的四种形式的接头进行疲劳评定，考虑到d a n g v a n 准则中局部复合参量的合理性，将其引入体积法中，对局部应力参量进行修正， 分析讨论了基于d a n gv a n 局部复合参量体积法的有效性。讨论了体积法评定中 的各种影响因素及其适用性。 第二章小锈钏焊接接头疲劳性能试验研究 2 1 引言 第二章不锈钢焊接接头疲劳性能试验研究 由于不锈钢具有一些独特的性能，在国民经济中占有极其重要的地位。奥氏 体不锈钢是应用最广泛的一类不锈钢，而新型奥氏体铁素体双相不锈钢( 简称 双相不锈钢) 兼有奥氏体和铁素体不锈钢的综合特性，不仅具有高强度和韧性， 还保持有高的抗点腐蚀和缝隙腐蚀能力及对应力腐蚀不敏感的优点，并具有良 好的焊接性【7 】。随着焊接技术的发展，采用双相不锈钢构件已成为目前1 i 锈钢应 用的发展趋势。焊接接头的疲劳性能是影响焊接结构的重要特性，与结构铡焊 接接头比较，不锈钢焊接的疲劳数据相对较少，尤其对双相不锈钢焊接接头， 其疲劳数据更为缺乏。为此本章采用不同的接头型式对双相钢和奥氏体不锈钢 的疲劳性能进行了试验研究，并将其疲劳试验结果进行比较，分析讨论了焊接 材料和接头型式对疲劳强度的影响。 2 2 疲劳试验 2 2 1 试样的制备 制备试样采用厚度为7 m m 的s a f 2 2 0 5 双相不锈钢和厚度为8 r a m 的 1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢两种材料，它们的化学成分和力学性能见表2 1 、表2 2 。 试验选取四种不同型式的焊接接头：a 型一带纵向立板角焊缝接头，b 裂一 纵向侧平面角接板接头，c 型一带纵向圆管角焊缝接头，d 型一开坡口承载十字 接头，其中a 型和b 型接头的材料为s a f 2 2 0 5 ，c 型和d 型接头的材料为 1 c r l8 n i 9 t i 。各接头的几何尺寸如图2 1 、图2 2 、图2 3 、图2 - 4 所示。 表2 - 1 试验材料的化学成分 t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t e s tm a t e r i a l s 天津人学硕士学位论文 表2 - 2 试验材料的力学性能 t a b l e2 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t e s tm a t e r i a l s 酗2 - 1带纵向立板角焊缝接头( a 型) 试件的儿何形状的尺寸 f i g2 - 1 g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co f w e l d e dj o i n t sa 匕= 亡= 耋旺= 口；7 卜3 0 叫 蚓2 - 2 纵向侧平面角接板接头( b 型) 试件的几何形状的尺寸 f i g 2 2 g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co fw e l d e dj o i n t sb 0 第二章刁i 锈铡焊接接头疲劳性能试验| _ l j | 。究 一一 一1 9 0 一一h i 8 f 6 0 图2 3 带纵向圆管角焊缝接头( c 型) 试什的儿何形状的尺寸 f i g 2 3 g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co fw e l d e dj o i n t sc h 7 卜 j 1 1 0 一一h p 一一一1 9 0 一一一一一 蚓2 - 4 开坡口承载十字接头( d 犁) 试件的几何形状的尺寸 f i g 2 4 g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co f w e l d e d j o i n t sd 各试样采用传统手工电弧焊的方法进行焊接，s a f 2 2 0 5 钢采用寸) 32 m m 的 e 2 2 0 9 1 7 型焊条，1 c r l 8 n i 9 t i 钢采用巾3 2 r a m 的e 3 0 8 1 6 焊条。试样按接头型 式分为四组，其采用的材料及焊接。e 艺如表2 3 示。 t。l 天津大学硕士学位论文 表2 - 3 各纲采川的材料及焊接1 1 艺 t a n e2 - 3m a t e r i a t sa n dw e l d i n gp r o c e d u r eu s e d 2 2 2 局部几何尺寸的测量 对焊后四种接头试件的局部几何尺寸进行测量，所测量的几何尺寸包括：焊 脚宽度、焊脚高度、焊趾角度和焊趾半径等参数。此数据的测量为第三章和第 四章的有限元计算建模提供依据。 2 2 2 1 带纵向立板角焊缝接头( a 型) 试件的几何尺寸测量 对图2 - 5 所示各几何参量进行测量，每个试件上一f 有两道环形的焊缝，每道 焊缝测6 个数据，共有1 0 个试件，可测量1 0 2 6 = 1 2 0 个焊脚宽度( b ) 和 1 2 0 个焊脚高度( h ) 。结果见表2 - 4 和表2 5 。从表2 - 4 、2 - 5 最后一行可以看出， 各个试件的b 平均值范围为7 0 6 m m 8 2 4 m m ，h 的平均值范围为5 1 3 m m 69 1 m m 。 i ，十 il 图2 - 5 带纵向立板角焊缝接头( a 型) 试件几何参数示意蚓 f i g 2 5t h ed i a g r a mo f t h eg e o m e t r yf o rw e l d e d j o i n t sa 第二章小锈铡焊接接头疲劳性能试骗研究 表2 - 5 带纵向立板角焊缝接头( a 型) 试件焊脚高度( h ) 的测量结粜 t a b l e2 - 5 m e a s u r i n gr e s u l t so f w e l dh e i g h t sf o r j o i n t s a 3 立型型墼堂竺生兰 采用硅橡胶复形的方法【8 1 测量焊趾半径( p ) 和焊趾角度( 1 ) ，咫体方法 血f ：先沿焊缝涂上配制奸的硅橡胶，待固化后取下。将取f 的硅橡胶沿垂直 j j i 焊缝的方向进行切片，每个焊缝取1 0 个切片，然后用工具显微镜( 5 0 ) 测 浸切 卜各点的坐标。分别建立计算p 和0 的方程，把测量出来切片上的各点 牮标值代入力程，求出p 和。的值，这墨我们编制了m a t t 。a b 程序来实删d 和 】| ! | 筑十算。图2 _ 6 ( a ) 、( b ) 分别为p 和q 的计算值按其出现的频玖：自：方图。从 圈中看出，将近8 0 f l 勺p 值在0 3 m m 0 6 m m 之削，约9 0 。值在3 0 。5 0 。 之n ；i j ；各试件p 和。的测量平均值见表2 - 6 。 表2 - 6 带纵向立板角焊缝接头( a 型) 试件焊趾、r 径( p ) 和焊趾角度( o ) 测蚓结果 t a b i e2 、6 m e a s u r i n g r e s u l t so f t h er a d i u sa n da n g l ea tw e l dt o es i t ef o rj o i n t sa 一 翌坠j 一一三三上一i ! ! 一8 一 91 0 均值p0 5 60 3 9 0 5 70 4 3 o 5 4o 4 6 o 5 4 o 舶o3 5o 磊 型塾二坚二l 翌一竺型型型竺竺型 r 妯u so f0 3 e 。f 涮d 刚1 t n a n g i e 吖t o eo f w d d7 d e g r e e ( a ) ( b ) 劁2 6 带纵向立板角焊缝接头( a 型) 试件焊趾t ! 径平焊趾角度出现频次分布幽 f i g 2 - 6s c a r e rd i a g r a mo f f r e q u e n c i e so f o c c u r f e t i c ef o rw c l d e d j o i n ba 2 2 2 2 纵向侧平面角接板接头( b 型) 试件的几何尺寸测量 对图2 7 所示各几何参量迸行测量，与其它焊缝不闷的是此焊缝存在个搭 接长度，如图2 _ 7 中l 所示。每个试件上下有四道焊缝，每道焊缝测3 个b 和h ， 1 个l ，共有1 0 个试件，可测量1 0 x 4 x 3 = 1 2 0 个焊脚宽度( b ) 、1 2 0 个焊脚 巧 循 5 o一享一uc磐j九80芍忻石ljmnbaj=| 謦i i。 。丑。 丑。i l，n。 嚣 5 o 一享一oc巴j80芍圻m石cm3矿j一 第二章不锈钢焊接接头疲劳性能试验州究 高度( h ) 和l o x 4 1 = 4 0 个搭接长度( l ) 。测量结果见表2 - 7 ，2 - 8 ，2 - 9 从表 2 - 6 、2 - 7 和2 - 8 最后一行可以看出，各个试件的b 平均值范围为1 0 ，3 5 r a m 1 1 2 2 m m ，h 的平均值范围为1 4 4 m m 1 9 3 r a m ，l 的平均值范围为3 5 8 - - 5 ，7 1 。 表2 7 纵向侧平面角接板接头( b 型) 试件焊脚宽度( b ) 的测量结果 t a b l e2 - 7 m e a s u r i n g r e s u l t so f w e l dw i d t h sf o r j o i n t sb 5 墨堡查兰! 塑兰竺丝苎一 袭2 8 纵向侧平面角接板接头( b 型) 试件焊脚商发( h ) n 句测量结