雙孔微剪切法評定焊接接頭局部力學性能.pdf

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

2、焊接接頭局部力學性能評定方法的研究，對于焊接接頭的強韌性設計和結構可靠性評定具有重要的意義。
　　焊接接頭熱影響區(qū)是整個接頭最薄弱的環(huán)節(jié)，其寬度僅有零點幾個毫米，在這狹小區(qū)域內的韌性又可分為粗晶區(qū)韌性和細晶區(qū)韌性。建立焊接接頭微區(qū)性能評定方法，需要獲得0.3 mm位置精度下的力學性能，而常規(guī)的微區(qū)力學性能評價方法，如小沖桿法、微剪切法、壓痕法等，很難準確對其進行評價。本文創(chuàng)新性的提出一種新型的檢測焊接接頭局部力學性能的方法—雙孔微

3、剪切法，該方法無須制備試樣，直接在待測區(qū)鉆兩孔，兩孔之間的區(qū)域形成小梁，對其進行剪切試驗，實現(xiàn)對接頭的局部強度和韌性進行評價。研制了試驗裝置，可對在線服役設備的局部力學性能進行現(xiàn)場測量，對這種測試方法進行相關的理論分析。
　　研究在以下幾個方面獲得了一些結果：
　　(1)根據(jù)雙孔微剪切試驗評價焊接接頭局部力學性能的要求，通過三種試驗執(zhí)行機構的改進，研制了可實現(xiàn)自動化和現(xiàn)場測量的試驗裝置。基本由驅動加載剪切單元、位移-載荷檢測

4、單元、裝置固定單元、電路控制單元四部分組成?？蓪崿F(xiàn)對焊接接頭各微區(qū)力學性能的檢測。
　　(2)研究剪切間隙、剪切厚度和加載速率三個參數(shù)對測量重復性的影響。一定范圍內，加載速率對剪應力的影響作用較小，當剪切間隙在0.3～0.8 mm之間，剪切厚度在0.1～0.52 mm之間時，最大剪應力和屈服剪應力值比較穩(wěn)定。
　　(3)建立了雙孔微剪切試驗的有限元模型，結合有限元模擬計算，得到與實驗相吻合的載荷-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行為。得到了剪切變形過程的Mises、最大主應力及斷裂階段的應力三軸度值分布規(guī)律。根據(jù)最大主應力、應力三軸度分布特點，可以預測初始裂紋的發(fā)生點。并利用有限元模擬，將不同剪切間隙和剪切厚度對小梁區(qū)域的測量精度的影響進行分析。
　　(4)結合有限元分析的方法，對材料的屈服強度、抗拉強度進行研究，給出了利用雙孔微剪切試驗直接獲得接頭屈服強度、抗拉強度的關系式。對關系的可靠性進行了驗證。雙孔微剪切實驗獲得屈服強度誤差

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技術，獲得以X70管線鋼不同強度和韌性的試樣，并結合U71鋼軌母材進行系列溫度下的韌性測量。利用設計的低溫雙孔微剪切試驗裝置獲得溫度—剪切功曲線，該曲線有上下平臺和明顯的韌脆轉變區(qū)。將試樣剪切功與沖擊功進行對比分析，與溫度-沖擊功曲線有相似性。雙孔微剪切試驗的韌脆轉變溫度TDHM較沖擊試驗的韌脆轉變溫度TCVN(50%FATT)低。
　　(6)

7、對X70管線鋼、U71Mn鋼軌的剪切斷口形貌進行分析，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，韌脆轉變溫度 TDHM對應的撕斷帶面積約為60%，剪切帶面積約為40%。
　　(7)應用有限元法，對剪切斷裂過程的微觀機理進行研究，預測了材料在剪應力作用下的變形行為，材料在斷裂前三向應力度-0.4～1.2之間，較缺口尖端的三向應力度值大。解釋了利用雙孔微剪切斷裂帶的面積來判斷韌脆轉變溫度區(qū)間的微觀機理。論證了雙

8、孔微剪切試驗方法評價焊接接頭微區(qū)韌性的可行性，為雙孔微剪切試驗方法今后的研究和工程應用提供參考。
　　(8)選擇超窄間隙焊接方法對X70管線鋼、430鐵素體不銹鋼進行焊接，對U71Mn鋼軌進行閃光對焊法焊接。對不同焊接方法下的焊接接頭進行雙孔微剪切試驗，得到接頭局部區(qū)域的強度及剪切功與溫度的關系曲線分布?？芍琗70管線鋼窄間隙焊接接頭屬于低匹配接頭，焊縫中心的韌脆轉變溫度TDHM最低（-80℃），430不銹鋼母材與焊縫屬于高匹配