EH36钢焊接接头焊趾处应力集中对高低周复合疲劳的影响

为研究船舶结构用钢EH36钢焊接接头焊趾处应力集中对高低周复合疲劳的影响,对不同焊缝形貌20 mm厚EH36钢双面全熔透对接接头进行高低周复合疲劳试验.研究发现,高低周复合疲劳对接头寿命的降低幅度随着高周应力比的增大而增大;结合数字图像相关法测量结果分析,发现焊趾处应力集中系数越大,接头的高低周复合疲劳寿命越低,其降低幅度随着高周应力比的增大而增大.基于试验数据对模型进行验证,结果表明,应力集中系数高的接头疲劳寿命低且寿命预测结果分散性增大;Palmgren-Miner模型和Zhu模型由于未充分考虑高低周耦合损伤作用,导致寿命预测结果相对危险.修正后Zhu模型在充分考虑低周疲劳对高低周复合疲劳寿命的影响后,预测寿命大于实际寿命的预测点较少,预测结果相对安全,且分散性较小,误差也较小.

预充氢对SCR焊接接头应力腐蚀敏感性影响

文中通过对X65制钢悬链线立管(steel catenary riser,SCR)焊接接头进行微观组织分析、慢应变速率拉伸试验(slow strain rate test,SSRT)及断口分析,探究预充氢对SCR应力腐蚀开裂(stress corrosion cracking,SCC)敏感性的影响.结果表明,焊接接头热影响区中,细晶热影响区(fine-grained heat-affected zone,FGHAZ)主要由细小且均匀的铁素体(ferrite,F)和珠光体(pearlite,P)组成,使该区域力学性能显著优于其他热影响区域,而粗晶热影响区(coarse-grained heat-affected zone,CGHAZ)主要包括大块的先共析铁素体(proeutectoid ferrite,PF)、M-A组元等组织,使得该处抗SCC性能较差.SSRT试样在不同预充氢时间的条件下,应力-应变曲线的弹性阶段几乎重合,但预充氢使得试样抗拉强度降低.此外,NaCl溶液腐蚀环境试样未充氢及充氢4天的应力腐蚀敏感性系数EZ分别为0.67%和11.14%;H_(2)S腐蚀环境试样未充氢及预充氢4天的应力腐蚀敏感性系数EZ值分别为11.96%和46.38%,证明两种腐蚀环境下预充氢均会降低焊接接头的抗SCC能力.试样在空气环境中发生韧性断裂,在两种腐蚀环境主要发生准解理断裂,预充氢使材料韧性降低,断口附近的微裂纹和孔洞现象加剧,降低了材料的抗SCC性能.

EH36厚壁海上风电用钢及其焊接热影响区的断裂韧性研究

目的开发大壁厚抗断裂、耐不同线能量焊接EH36海上风电用钢,满足深水海上风电平台的服役需求。方法试制了80 mm厚的EH36海上风电用钢,研究了不同温度下EH36的断裂韧性变化规律,并进行了7 kJ/cm和50 kJ/cm线能量的焊接试验。通过裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,评估母材及焊接CGHAZ的断裂韧性。使用光学显微镜和电子显微镜对其微观组织及其CTOD试样断口形貌进行表征和分析。结果EH36的断裂韧性在−10~−30℃区间内保持较高的值,−40℃为该材料的韧脆转变温度,此时断裂模式从韧性断裂转变为脆性断裂,但其临界CTOD平均值仍高于标准要求。此外,7 kJ/cm热输入的CGHAZ临界CTOD平均值为0.658 mm,其微观组织主要由针状铁素体组成,50 kJ/cm热输入的CGHAZ临界CTOD平均值为0.468 mm,其微观组织主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成。在电镜下观察到CGHAZ内含有大量由Ti的氧化物组成的高熔点夹杂物,大量针状铁素体在其周围形核并生长,可有效提升CGHAZ的断裂韧性。结论所开发的EH36厚壁海上风电用钢具有优越的抗断裂性能和焊接性能。

焊接方法对镍基合金耐晶间腐蚀性能的影响

为了研究双金属复合管中镍基合金堆焊层的耐腐蚀性能,分别采用钨极氩弧焊(GTAW)与冷金属过渡焊(CMT)两种焊接工艺在X65管线钢表面熔覆一层厚度为3 mm的625合金(Inconel 625)内衬层.通过双环电化学动电位再活化(DL-EPR)试验来评估通过两种工艺得到的堆焊层的耐晶间腐蚀性能,试验得出通过CMT得到的堆焊层的晶间腐蚀敏感度(DOS)值比GTAW堆焊层的DOS值低0.5%,这表明相比于传统的GTAW堆焊层,通过CMT工艺得到的堆焊层具备更优良的耐晶间腐蚀性能.此外,模拟服役工况的失重腐蚀试验被用来进一步评估堆焊层的耐腐蚀性能,腐蚀试验后的GTAW堆焊层与CMT堆焊层试样表面均出现了不同程度的腐蚀,其中GTAW堆焊层试样表面出现了大量富含Fe、S的腐蚀产物,而CMT堆焊层表面仅存在极少量的腐蚀产物.通过腐蚀前后试样的质量变化计算得到GTAW堆焊层的腐蚀失重速率为0.12 mm/a,而CMT堆焊层其腐蚀失重速率仅为0.01 mm/a.这进一步证明了相比于GTAW工艺采用CMT工艺得到的堆焊层耐晶间腐蚀性能更好.此外,在同一焊接工艺下,堆焊层的耐晶间腐蚀性能存在不均性,靠近熔合界面位置处的堆焊层中较高的Fe含量降低了堆焊层的耐晶间腐蚀性能.

不同应力幅下X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳行为

通过腐蚀疲劳试验研究了在H_(2)S环境中不同应力幅下X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳行为及机理,对试样的微观组织、断口和裂纹扩展路径进行了观察.结果表明,X65管线钢焊接接头焊缝的微观组织主要由先共析铁素体、粒状贝氏体和M/A组元构成,M/A组元增大了焊缝的脆性.粗晶热影响区主要由板条贝氏体和粒状贝氏体组成,焊缝和粗晶热影响区的硬度较高,韧性较差.在不同应力幅下X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳机理均为阳极溶解+氢脆混合机制,但低应力幅下腐蚀作用带来的损伤更加显著.随着应力幅的增大,试样的腐蚀疲劳寿命显著降低,裂纹扩展的速率也越快.此外,二次裂纹主要沿着贝氏体板条束的晶界扩展,裂纹尖端在针状铁素体和先共析铁素体处产生了钝化现象,这两类组织有着良好的抗氢脆能力.创新点:(1)阐明了X65管线钢焊接接头在H_(2)S环境中的疲劳行为及机理.(2)揭示了不同应力幅下X65管线钢焊接接头在H_(2)S环境中的疲劳行为差异.(3)明确了针状铁素体和先共析铁素体有着良好的抗氢脆能力.

基于集成数据驱动方法的焊接接头疲劳寿命预测模型

文中基于集成数据驱动方法 (临界合成少数过采样技术、极端梯度提升算法、深度卷积神经网络)建立了一种新型疲劳寿命智能预测模型.其中,临界合成少数过采样技术用于疲劳性能数据库的数据增强,极端梯度提升算法实现疲劳寿命影响因素的权重分析,深度卷积神经网络作为模型框架用于理解疲劳寿命及其影响因素之间的多重非线性关系.根据不同技术组合的分析,发现权重分析和数据增强均有利于预测精度的提高,前者效果优于后者.并通过与其他新颖预测模型的对比,验证了所提出的方法的预测准确度和稳定性.

基于数字孪生的含裂纹焊接结构可靠性评价混合实践教学模式

为了适应当前新工科教育的需要,提高材料成型及控制工程专业实践教学质量,培养学生创新能力,以含缺陷焊接结构可靠性评价实训课程为研究对象,进行了材料成型及控制工程专业实践教学改革的探索。将当前教育领域的探究式教学理念、虚实融合方法及数字孪生技术方法融入材料成型及控制工程新工科实践教学改革,构建了基于“虚拟+数字孪生”环境的焊接结构裂纹扩展混合实践教学平台,将理论学习、虚拟仿真试验和实际“实验操作”结合一体;同时针对实际工程案例,学生独立自主设计试验方案,完成数据分析及应用,实现理论与实践的统一。利用此混合实践教学模式,解决了新工科项目式教学设计难题,有利于促进学生的自主学习,激发学生工程实践的探究兴趣,增强学生的实践动手能力和创新能力,从而有效提高实践教学效果。

X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳行为研究

X65管线钢被广泛用于深海石油运输,焊接是海洋立管的主要连接方式之一。在深海油田中的H_(2)S含量较高,会影响海洋立管焊接接头的服役寿命,特别是疲劳寿命。文中对比研究了X65管线钢焊接接头在空气和H_(2)S腐蚀环境下的疲劳行为,结果表明,由于根部焊缝余高处应力集中,最易萌生裂纹,在H_(2)S腐蚀环境下,加速了焊接接头的裂纹萌生和扩展,疲劳寿命显著下降。

TIG与FSW焊接工艺下2219铝合金疲劳裂纹扩展性能研究

目的研究钨极惰性气体保护焊(TIG)和搅拌摩擦焊(FSW)对2219铝合金焊接接头疲劳性能的影响,并探究这2种不同焊接技术条件下焊接接头疲劳裂纹的产生与裂纹扩展原理,了解2种焊接接头的抗裂纹扩展能力,为工程实践应用提供数据参考。方法采用疲劳裂纹扩展试验方法,测试上述2种焊接工艺条件下焊缝金属和热影响区组织的疲劳裂纹扩展速率da/dN和阈值,使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察并分析金相组织和疲劳断口形貌特征。结果疲劳裂纹倾向于沿裂纹处萌生,裂纹的存在成为主要的裂纹扩展源头,有利于加速裂纹向前延伸。热影响区由于组织结构不均匀,不同位置的晶粒尺寸存在明显差异,疲劳裂纹扩展路径倾向于沿靠近焊缝一侧向靠近母材区域扩展。TIG焊接工艺下焊缝金属和热影响区的裂纹扩展速率明显低于FSW焊接工艺下的焊缝金属和热影响区,与此同时,TIG焊接接头表现出优良的抗疲劳裂纹扩展性能。结论通过此研究,建议2219铝合金焊接接头采用TIG焊接工艺,抗疲劳裂纹扩展效果更佳。

2219铝合金TIG和FSW接头力学及疲劳性能

目的研究钨极氩弧焊(TIG)和搅拌摩擦焊(FSW)对2219铝合金(母材)力学及疲劳性能的影响。方法通过拉伸试验,得到了母材、TIG和FSW接头的抗拉强度和伸长率;通过疲劳性能试验测试了母材、TIG和FSW接头在不同应力下相应的疲劳寿命,根据疲劳试验结果绘制了其试样的S-N曲线;使用扫描电子显微镜观察并分析了疲劳断口的形貌特征。结果未焊接的铝合金母材抗拉强度和伸长率最高,分别为506 MPa和15.92%;TIG接头抗拉强度和伸长率分别为330 MPa和7.65%,FSW接头抗拉强度和伸长率分别为310 MPa和8.74%。母材、TIG和FSW接头等3种疲劳试样在2×10^(6)次循环下的疲劳强度分别为129、108、115MPa,其疲劳断口均可分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬间断裂区,疲劳裂纹分别起始于试样表面的局部变形区、第二相夹杂物和“吻接”缺陷。疲劳裂纹扩展区的主要形貌为疲劳辉纹和二次裂纹,瞬间断裂区以脆性断裂为主。结论TIG和FSW等2种焊接工艺均导致了2219铝合金的强度、塑韧性和疲劳性能降低,其接头表面的第二相夹杂物和“吻接”缺陷促进了疲劳裂纹的萌生。

X65级海管环缝无衬垫封底全自动焊工艺及焊缝性能研究

在一些国外海洋油气田开发项目中,输送含有酸性腐蚀介质的海底管道环缝焊接强制要求采用无铜衬垫封底焊接技术,确保焊缝在硫化氢(Hydrogen Sulfide,H2S)酸性腐蚀服役过程中不会出现硫致应力开裂(Sulfide Stress crack,SSC)。为解决铜衬垫在封底焊接过程中铜原子受热扩散进入焊缝金属并对其性能产生破坏性影响的问题,采用表面张力过渡(Surface Tension Transfer,STT)封底焊接和熔化极气体保护焊接(Gas Metal Arc Weld‐ing,GMAW)填充盖面焊接技术,开发了一种适用于海管S型铺设的无衬垫封底全自动焊工艺并对焊缝性能进行测试研究。结果表明,横向拉伸、全焊缝拉伸、侧弯、冲击、宏观硬度及H2S腐蚀试验等均满足项目焊接规格书及DNV OS F101(2013)标准要求;焊接接头试样均通过了NACE 0177标准下的硫致应力开裂试验,可应用于含H2S酸性环境下X65级碳钢海管的焊接施工。STT表面张力过渡封底焊接属于单面焊双面成形技术,焊接热输入小,飞溅极少,焊缝成形好,是无衬垫封底焊接技术的一种可靠选择。

S690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展行为拘束效应

S690高强钢由于其良好的综合力学性能广泛用于海洋平台中.海洋平台结构易产生腐蚀疲劳失效,海水腐蚀、循环载荷和结构本身的拘束水平对裂纹扩展有重要的影响.通过空气中和海水环境中的S690高强钢疲劳裂纹扩展试验,结合显微断口分析,研究了拘束水平对S690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,在阳极溶解和氢致开裂的共同作用下,海水环境对S690高强钢疲劳裂纹扩展具有明显的加速作用.同时随着裂纹的不断扩展,拘束水平对S690高强钢腐蚀疲劳裂纹的影响不断增加,且裂纹扩展速率与裂纹扩展前后的拘束水平增量和结构本身的拘束水平均密切相关.

热循环作用下SnAgCu-CNT搭接焊点蠕变行为数值模拟

采用有限元方法分析了钎焊搭接SnAgCu-CNT焊点在125^-40℃温度循环载荷条件下的蠕变应变和应力分布。结果表明,经过4个温度循环周期后,SnAgCu-CNT搭接焊点发生了明显的剪切变形,产生了显著的上下表面相对位移。焊点的最大等效蠕变应变位于焊点与焊盘界面边缘沿长度方向上的中点处,最小蠕变应变位于焊点的中心处。有限元的计算结果与实际热循环试验的结果相一致。最大蠕变应变节点的蠕变应变和应力随时间变化的曲线呈现出明显的周期性和累积效应。

P92钢焊缝金属高温低周疲劳行为分析

P92钢常用于锅炉高温、高压主蒸气管道等部件,其焊接接头性能的优劣直接关系到机组的安全可靠运行.文中通过P92钢焊缝金属在630℃下的低周疲劳试验,研究了低周疲劳行为及其循环应力应变关系,采用塑性应变能密度对其低周疲劳进行了寿命预测,并根据断口形貌,分析了P92钢焊缝金属的断裂机理.结果表明,P92钢焊缝金属表现出循环软化特征;其低周疲劳寿命与应变幅值满足Coffin-Manson关系;采用塑性应变能密度的方法可以很好地预测P92钢焊缝金属低周疲劳寿命.二次裂纹密度的增加是其在高应变幅下寿命下降的主要原因.

Sn-Ag-Cu无铅焊料的可靠性研究

欧盟对电子产品的RoHS法令的实施加快了电子封装钎焊无铅化的步伐。Sn-Ag-Cu焊料以其优良的机械性能和可焊性,逐渐得到了国际社会的认可。文章对无铅焊料的发展过程,Sn-Ag-Cu合金的性能进行了综述,重点介绍了Sn-Ag-Cu焊点的可靠性,包括试验法和有限元法。最后对Sn-Ag-Cu焊料的应用前景进行了展望。

高校无损检测技术课程教学改革探究

无损检测技术课程是材料成型及控制工程本科专业的重要课程之一,该课程具有较强的应用性、概念多且抽象、学生学习困难等特点。针对目前该课程特点,文章提出了无损检测技术课程在材料成型控制工程专业中所存在的问题,从教学内容、教学方法以及考核方式等方面为提高学生综合素质提出改革措施。

双相不锈钢多层多道焊接接头微观组织表征

采用钨极氩弧焊制备了双相钢焊接接头,基于热力学方法计算了母材和焊缝的平衡相变过程,采用OM,SEM,EDS,TEM等方法表征了接头不同区域的微观组织.结果表明,焊缝中添加镍显著促进γ形成并抑制Cr_2N析出.焊缝和热影响区γ_1主要包含晶粒边界奥氏体、魏氏奥氏体和晶粒内奥氏体,不同类型的奥氏体呈现显著的成分差异.焊缝和热影响区析出两种类型的γ_2:晶粒内γ_2和晶粒间γ_2.γ_2易于在δ内和δ/γ_1边界处富Ni和N元素而贫Cr和Mo元素的区域析出.Cr_2N主要分布于热影响区的δ内、δ/γ_2边界以及δ/δ边界处.

G115钢CMT+P焊接工艺及组织和性能

基于冷金属过渡加脉冲(CMT+P)的焊接方法,研究了新型回火马氏体耐热钢G115的焊接性以及焊接接头组织和性能.结果表明,焊接接头经热处理后为回火马氏体组织,焊缝晶粒呈现出等轴晶和柱状晶两种不同的形貌,而焊接热影响区和母材晶粒均为等轴晶.与焊条电弧焊(SMAW)相比,CMT+P焊接方法有效降低了热输入,大幅度减小了热影响区宽度,提高了焊接接头的拉伸性能和热影响区冲击韧性,焊接接头焊缝冲击韧性略有降低.焊接接头的室温和高温拉伸断裂机理均为韧性断裂,室温拉伸断口的韧窝内存在一定量的析出相.

无轴承永磁同步电机的神经网络逆控制

无轴承永磁同步电机是一个强耦合的非线性复杂系统,实现无轴承永磁同步电机的线性化解耦控制,是无轴承永磁同步电机稳定运行和走向实用化的关键。将神经网络具有的特点(对非线性系统的逼近能力以及对系统参数变化的适应能力)与逆系统方法的特点(解耦线性化)相结合,提出了基于神经网络的无轴承永磁同步电机逆系统解耦控制方法。通过用静态神经网络加积分器来构造无轴承永磁同步电机的逆系统,将无轴承永磁同步电机动态解耦成位移子系统和转速子系统分别设计调节器进行控制,然后运用线性系统理论进行综合。仿真及实验结果表明,系统具有良好的鲁棒性和动静态解耦性能。

纳米压痕法研究80Au/20Sn焊料蠕变应力指数

室温下通过恒加载速率/载荷纳米压痕法对铸态80Au/20Sn焊料进行了测试,得到了压痕试样的载荷—位移曲线.试验表明,加载速率对载荷一位移曲线影响显著,较低的加载速率产生了较大的位移变化;加载阶段,较低的加载速率导致了较大的压痕深度;载荷保持阶段,压痕深度的变化表明在该阶段发生了蠕变,较高的加载速率导致了较大的蠕变应变率.结果表明,基于压痕做功概念得到的蠕变应力指数与传统单轴拉伸或压缩蠕变测试得到的数值具有较好的一致性,该测试和分析方法可行.