海洋环境下耐候钢十字非传力焊接接头腐蚀疲劳性能试验研究

腐蚀疲劳严重危害在役钢桥服役安全。为研究海洋环境下耐候钢桁梁桥焊接节点的腐蚀疲劳性能,对23个Q420qFNH耐候钢十字非传力角焊缝焊接接头进行实验室干/湿交替中性盐雾加速腐蚀及腐蚀后疲劳试验,采用失重法得到试件的失重率和腐蚀速率,对接头腐蚀形貌及疲劳断裂失效的宏观断口形态进行分析,拟合得到经历不同腐蚀时长后试件的名义应力和热点应力S~N曲线。结果表明:耐候钢十字非传力角焊缝焊接接头疲劳裂纹均萌生于焊趾处并沿板厚扩展失效,疲劳寿命由焊缝控制,接头焊趾附近腐蚀坑的形成与生长加剧了焊接接头的疲劳裂纹萌生;焊接接头的疲劳性能劣化程度随腐蚀损伤效应的增加而增加,但疲劳强度折减量与腐蚀时间并未呈线性关系,锈层逐渐具有保护性;未腐蚀前名义应力和热点应力疲劳强度等级分别建议采用《公路钢结构桥梁设计规范》中的FAT80和Eurocode 3规范的FAT110进行评估,腐蚀后的疲劳强度折减量建议参照美国耐候钢桥指南规定C类细节选取。

改善焊接接头疲劳强度超声冲击法的试验研究

利用自行研制的超声波冲击试验装置，对几种典型焊接结构用钢（Ｑ２３５Ｂ和１６Ｍｎ）的对接和十字接头（熔透），实施冲击处理。然后进行焊态与冲击处理态的弯曲与拉伸两种加载方式的疲劳对比试验。分别获得了各种情况冲击处理前后的σ－Ｎ曲线及条件疲劳极限（２×１０＾６周次）。结果表明：超声冲击处理后，Ｑ２３５Ｂ对接接头条件疲劳极限（２×１０＾６周次）提高了５７％（拉伸），十字接头（４点弯曲）提高了６４％。

定量热像法预测焊接接头的S-N曲线和残余寿命

在恒定的平均应力作用下,考虑焊接接头的实际工况,利用红外热像技术建立了快速预测焊接接头疲劳参数和残余寿命的模型,实现了定量热像法对非均质焊接接头疲劳性能的评估。通过红外热像仪监测焊接接头表面局部热点的变化,定性分析了损伤演化状态。结果表明:定量热像法克服了传统疲劳实验方法的局限性,可快速、准确地确定非均质焊接接头的疲劳性能。同时,通过对疲劳损伤过程中热点区域的实时监测说明其是一种有效的检测方法。

考虑疲劳性能的十字接头角焊缝尺寸设计

传统的角焊缝尺寸设计往往只考虑焊缝的静力强度,文中则从疲劳性能的角度对十字接头角焊缝的尺寸设计问题进行研究.首先计算了无熔深十字接头可能失效截面的结构应力,通过对不同焊脚尺寸时结构应力变化特点的分析,从理论上证明了焊脚尺寸越大,接头的疲劳性能越高;当焊脚尺寸s和板厚h之比小于0.75时为焊根失效,大于0.75时为焊趾失效;而实际工程中s/h在0.8和1.0之间是比较理想的选择.然后通过一系列疲劳试验验证了上述结论.最后还分析了焊接熔深对十字接头疲劳性能和焊脚尺寸设计的影响.

焊趾表面裂纹应力强度因子简化计算的比较研究(英文)

对接、T 型接头与十字接头是船舶与海洋结构的典型结构形式,其大部分疲劳失效是由于焊趾引起的。各种表面裂纹的应力强度因子计算是船舶与海洋结构基于断裂力学安全评定和疲劳寿命预测的基础。Bowness 等人提出了T 型接头焊趾表面裂纹应力强度因子计算式,作者对其复杂的计算式进行了简化。BS7910 针对对接、T 型接头与十字接头提出了两套焊趾应力强度因子表达式,一是针对二维表面裂纹提出的,一是针对三维表面裂纹提出的。本文对作者给出的简化表达式以及BS7910 的两套表达式进行了比较。结果表明作者给出的简化表达式不仅可以用来计算T 型接头的焊趾表面裂纹应力强度因子,而且可以用来计算对接与十字接头焊趾表面裂纹的应力强度因子。同时发现在a/T< 0.05 处三者的差别比较大,因此用有限元法进行了验证,结果证明作者给出的简化表达式比其他表达式更加合理。

考虑焊趾形貌的十字焊接接头疲劳评定研究

针对十字焊接接头,考虑焊趾形貌特征,分别建立了包含圆弧形焊趾和直线形焊趾的两种有限元模型,分析了焊趾局部的应力状态;以有效缺口应力为控制参量,估算了循环拉伸载荷作用下十字焊接接头的疲劳寿命;开展了相关疲劳试验,对估算结果进行了验证。研究表明焊趾形貌对焊接接头的疲劳特性有较大影响,圆弧形曲线可以较好地描述焊趾形貌,循环拉伸载荷作用下裂纹通常在焊趾部位萌生,且位于靠近焊缝端面的圆弧段凸顶点附近,考虑焊趾形貌的有效缺口应力法可以作为焊接结构疲劳寿命的有效评定方法。

钢桥腐蚀斜焊缝十字接头疲劳性能研究

以45°倾角全熔透承载角焊缝十字接头为研究对象,在试件的边缘焊趾附近构造深度分别为1和2mm的2种人工半球形蚀坑,通过疲劳试验和有限元方法分析腐蚀对斜焊缝十字接头疲劳行为的影响。结果表明:当蚀坑深度分别为0,1,和2mm时,在200万次循环加载下斜焊缝十字接头疲劳强度分别为92.4,91.3和70.2 MPa,当蚀坑深度等于或小于1mm时,可以忽略蚀坑对斜焊缝十字接头疲劳强度的影响,但选取斜焊缝十字接头的S—N曲线时应该考虑不同腐蚀程度的影响;蚀坑深度是影响斜焊缝十字接头疲劳强度的主要因素,在蚀坑半径相同情况下蚀坑越深,等效应力越大,应力集中越明显;由于热点应力集中系数与蚀坑深度的相关性要好于深宽比,且非线性函数优于线性函数,因此推荐采用非线性函数拟合热点应力集中系数与蚀坑深度的关系。

十字焊接接头疲劳试验与宏观断口分析

疲劳断口的宏观分析是焊接结构疲劳试验和失效分析的有效手段,但一直未获得应得的重视,原因在于较难出现肉眼可识别的海滩条带。基于勾线法原理,研究了标记载荷对生成海滩条带的影响,制定了3种标记载荷谱,开展了十字焊接接头的拉伸疲劳试验。试验结果表明,标记载荷的幅值、平均值和循环次数是影响海滩条带生成效果的重要因素,保留载荷最大值的半幅标记载荷谱容易获得较明显的疲劳海滩条带。宏观断口分析发现了3种基本的裂纹演变形态,揭示了初始裂纹萌生位置及其数量是影响裂纹演变形态的主要因素。

斜十字接头三维焊接残余应力的数值模拟

为研究全熔透焊接十字接头残余应力空间分布特点,分析十字接头焊缝形式对焊接残余应力分布状态的影响,基于温度场和应力场间接耦合方式,对全熔透焊接十字接头残余应力开展了有限元数值模拟研究.采用ANSYS有限元软件,选择Q345C钢材典型热力学参数,构建全熔透焊接十字接头有限元模型,分析得到焊接过程结构温度场分布.将焊接十字接头温度场作为输入条件,基于ANSYS热–力耦合分析得到全熔透焊接斜十字接头三维残余应力场分布.结果表明,全熔透焊接十字接头残余应力峰值主要分布在焊趾和焊根处,焊缝角度变化会对焊缝处残余应力分布带来较大影响.

非承载角焊缝十字接头疲劳性能

文中基于结构应力方法对非承载角焊缝接头的疲劳性能进行了数值分析与试验研究。首先根据不同焊脚尺寸的十字接头焊趾截面结构应力,发现焊脚尺寸越大,接头疲劳性能反而越低,疲劳试验也证明了这一现象。同时,试验数据与BS 7608标准中F级S-N曲线的对比说明了疲劳评估时进行应力修正的必要性。然后,分别利用含装配间隙和熔深的有限元模型计算接头结构应力,证明两者对接头的疲劳性能影响很小。文中还通过与承载角焊缝接头的对比,证明细节特征对接头疲劳性能的影响程度与接头受力状态直接相关。在定义焊缝缺欠质量等级时,应考虑接头在结构中的受力状态,制定合理的控制参数,从而降低结构的制造成本。

Q420D高强钢横向十字焊接接头疲劳寿命数值模拟与试验验证

通过疲劳试验拟合得到Q420D高强钢横向十字焊接接头的应力幅-疲劳寿命(S-N)曲线(试验拟合),采用ANSYS与FE-SAFE软件联合仿真技术预测该十字接头的疲劳寿命并拟合得到S-N曲线(数值拟合),对比分析了数值拟合和试验拟合结果,并分析了现行规范对十字接头疲劳寿命的评价效果。结果表明:十字接头疲劳寿命数值拟合值与试验拟合值的相对误差不大于3.49%,疲劳极限相对误差为0.93%,说明应用ANSYS与FE-SAFE软件联合仿真技术预测十字接头疲劳寿命可靠;试验拟合S-N曲线(存活率50%)与ANSI规范设计曲线吻合较好,而95%存活率下的试验拟合曲线与DNV规范设计曲线吻合较好;当循环次数高于2×10^(5)周次时,EN规范较ANSI规范能更好地评估十字焊接接头疲劳寿命,且具有足够的安全储备。

低温环境下十字形非传力角焊缝接头的疲劳性能

为了研究低温环境下钢桥焊接细节的疲劳行为和性能,以典型的十字形非传力角焊缝接头为对象,开展室温和-60℃下的高周常幅疲劳试验;基于三维裂纹扩展数值模拟,分析低温对该焊接细节疲劳裂纹扩展寿命的影响机理.结果表明,该焊接细节的室温和-60℃条件下试验S-N疲劳寿命未表现出显著区别,初始焊接缺陷裂纹会在细节焊趾处的多个位置同时扩展;由低温环境导致的钢材断裂韧性的降低不会对该焊接细节的疲劳寿命产生明显影响.虽然低温会增强钢材抵抗疲劳裂纹扩展的能力,但是该焊接细节的疲劳寿命主要受焊接过程产生的多样化初始裂纹缺陷因素控制;建议采用考虑多裂纹耦合扩展的三维裂纹扩展数值模拟来更加精确地预测疲劳裂纹扩展寿命.

基于FBG应变传感器的焊接接头疲劳试验

针对焊接接头疲劳实验中裂纹萌生阶段关键信息难以精准获取的问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器的试验方法。采用十字焊接接头开展疲劳试验,通过在薄板焊趾圆弧段凸顶点布置FBG应变传感器,获取应变时间历程,以应变范围斜率突变点作为裂纹萌生的时间点。疲劳断口与焊趾形貌的对照表明焊趾圆弧段凸顶点是裂纹的易萌生位置,应变测试结果表明,焊接接头疲劳试件的疲劳失效呈现为多裂纹形式,多裂纹的萌生时间不同步且裂纹尺度不同。相较于传统的检测手段,FBG应变传感器操作简便,抗干扰能力强,稳定性好,并能较有效地捕捉焊趾多裂纹的萌生行为。

拉-剪应力场下全熔透十字型焊接节点疲劳寿命评估

为研究全熔透十字型焊接节点在拉-剪应力场反复作用下的疲劳损伤累积规律及疲劳寿命预测方法,选择不同倾角(0°、15°、30°、45°)全熔透承载焊缝十字形焊接节点,构建不同比例的拉-剪应力场.利用ANSYS建立有限元模型,对不同倾角下全熔透十字形焊接节点的应力分布状态及应力集中系数进行比较分析.完成4组12个比例加载时正应力和剪应力共同作用下的焊接节点疲劳试验.基于名义应力分别采用等效应力法、相互作用方程法和双参数临界面法,对全熔透十字形焊接节点疲劳寿命进行评估,并与试验结果进行对比分析.研究结果表明,应力比大于0.5时,按国际焊接学会方法及Eurocode方法得到的疲劳寿命偏大,主拉应力法得到的疲劳寿命仅为试验结果的1/3,双参数临界面法和等效应力法得到的疲劳寿命与疲劳实验结果吻合较好.

小水线面双体船上层建筑结构疲劳强度试验研究

针对小水线面双体船上层建筑下围与甲板连接处应力集中明显、疲劳强度问题突出的现象,本文基于谱分析法的全船疲劳强度分析结果,确定疲劳问题严重的部位,对常规腹板加强十字焊接型节点及采用肘板优化的一般焊接型节点分别设计了实板厚疲劳试验模型。通过疲劳试验获得了典型载荷工况下的疲劳失效循环次数,采用定斜率极大似然法及可靠性方法拟合S-N曲线,明确了优化前后2种节点的疲劳特性,验证了优化方式的有效性。试验结果对小水线面双体船的结构设计具有一定的借鉴意义。

含初始变形的薄板十字形焊接接头疲劳强度评估

相较于厚板而言,薄板焊接试件由于自身弯曲刚度较低,焊接热输入会使其产生焊接初始变形.初始变形的存在会使得焊接结构产生二次弯曲效应,在焊趾处产生较大的应力集中,严重影响薄板焊接试件的疲劳强度.考虑薄板焊接初始变形和几何非线性的影响,推导了焊接十字形试件焊趾处的应力放大系数公式,将公式结果与规范、非线性有限元结果进行对比,验证公式的准确性.并基于切口应力方法,将规范公式和修正公式分别运用到典型船用薄板焊接接头的疲劳评估中.

焊接参数对十字型接头焊缝根部和焊趾有效缺口应力的影响

Cruciform joints in ships are prone to fatigue damage and the determination of type of weld plays a significant role in thefatigue design of the joint. In this paper, the effect of weld geometry on fatigue failure of load carrying cruciform joints inships is investigated using Effective Notch Stress (ENS) approach. A fictitious notch of 1 mm radius is introduced at theweld root and toe and fatigue stress is evaluated. The effect of weld leg length (l) and weld penetration depth (p) on ENS atweld root and toe are determined. The critical weld leg length (lcr) at which fatigue failure transitions from weld root toweld toe is investigated. An approximation formula for determination of the critical weld leg length considering weldpenetration depth (p) is proposed.

6082-T651铝合金板十字接头组织及力学性能

采用熔化极惰性气体保护焊进行了15 mm厚6082-T651铝合金板十字接头焊接。研究了焊接工艺参数对十字接头焊缝成形、拉伸性能和显微硬度的影响,并对接头不同区域的元素分布进行了测试分析。结果表明,随送丝速度和焊接电流增加,焊缝余高逐渐减小,熔深和熔宽逐渐增加;焊缝边缘为柱状晶组织,焊缝中心为枝晶和等轴晶混合组织,晶间液化组织从熔合线一直延伸到热影响区内部;Mg,Si,Fe和Mn等合金元素在焊缝中偏聚形成晶间析出相;十字接头抗拉强度最高达到239 MPa,断裂模式为韧性断裂;接头腹板和翼板侧硬度值呈对称分布,热影响区硬度值随焊接热输入增大而减小,并低于焊缝硬度。

AA7075铝合金熔化极气体保护焊十字接头根部失效疲劳寿命的预测(英文)

通过建立一经验公式来预测熔化极气体保护焊十字接头根部失效的疲劳寿命。采用高强可时效硬化的AA7075-T6铝合金作为基材进行焊接实验。实验设计概念被用来优化进行疲劳实验所需要的次数。在一伺服液压控制疲劳实验机上进行疲劳实验,实验采用恒定荷载。采用所建立的经验公式,预测的熔化极气体保护焊十字接头根部失效疲劳寿命可达到95%的可信度水平。详细讨论了十字接头尺寸对疲劳寿命的影响。

船舶十字接头错边量对疲劳强度影响的研究

针对船舶结构十字接头在装配中极易产生错边的工艺缺陷问题进行了研究.采用船用B级钢原为15mm的试样,带有不同的错边量,在静载和低周疲劳作用下进行了试验,由数理统计分析获知:2mm错边量对疲劳断裂寿命无明显影响,4mm以下的错边量可以满足力学性能的要求.这一结果对修改制订我国现行的工艺建造标准提供了科学依据,对船舶的使用安全和建造成本产生了有利的影响,具有实用的价值.