接焊縫接觸面的疲勞分析研究

2016-11-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

EH36鋼的疲勞性能對(duì)接焊縫接觸面沖刷過程的超長(zhǎng)壽命的校核,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,108—010年期間仍然可能發(fā)生疲勞斷裂,與常規(guī)方法使用不兼容的疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于1 107年周期設(shè)計(jì)中,需要焊接結(jié)構(gòu)能在超長(zhǎng)壽命服役制度。掃描電子顯微鏡分析表明,疲勞裂紋主要發(fā)起于接焊縫的坡口接觸面的內(nèi)部缺陷。一種新的“魚眼”缺陷在焊接接頭中被發(fā)現(xiàn)。對(duì)接焊縫接觸面中的區(qū)域缺陷與其疲勞壽命的關(guān)系已經(jīng)被證實(shí)。當(dāng)缺陷尺寸足夠大且數(shù)量較多時(shí),將嚴(yán)重降低焊接接頭的疲勞性能。夾雜對(duì)合金焊接接頭疲勞性能也有嚴(yán)重的影響。

1.介紹

近年來越來越多的的構(gòu)件采用焊接而成,實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)此焊接結(jié)構(gòu)的破壞多是從焊接接頭處開始的,這主要是由于在焊接接頭處存在氣孔、未焊透以及裂紋等集合缺陷,導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中,從而降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命。因此研究焊接接頭處的疲勞表現(xiàn)以及分析影響焊接接頭性能的因素具有重要意義。

如果完全采用工藝試驗(yàn)的方法進(jìn)行這方面的研究,研究成本會(huì)很高而且周期也長(zhǎng),不利于新產(chǎn)品的開發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元分析軟件在工程中得到了廣泛地應(yīng)用。本題采用ANSYS軟件來模擬焊接缺陷,進(jìn)行平疲勞方面的分析。將有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,表明有限元計(jì)算結(jié)果是合理的,因此可以采用ANSYS對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析。

2.1 焊縫接觸面夾雜缺陷有限元分析基本理論

焊接熱作用貫穿整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的制造過程中,焊接熱過程直接決定了接頭的顯微組織焊接應(yīng)力與變形,而焊接接頭的顯微組織卻影響著接頭的疲勞強(qiáng)度壽命。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的快速發(fā)展,采用有限元法通過計(jì)算機(jī)對(duì)焊接區(qū)拘束應(yīng)力的瞬時(shí)分布進(jìn)行了研究,同時(shí)結(jié)合裂紋和組織觀察來進(jìn)行全面分析,可以深入研究各種因素對(duì)焊接裂紋起裂和擴(kuò)展的影響。本研究通過ANSYS有限元分析軟件,利用其熱耦合、結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)非線性分析功能,采用高斯熱源模型,對(duì)高強(qiáng)鋼CO:氣體保護(hù)焊的三維焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)流、熱源載荷的影響,應(yīng)用單元?jiǎng)澐?真實(shí)模擬了36mm厚板13層、29道焊的工藝過程,在理論和仿真基礎(chǔ)上對(duì)焊接熱裂紋進(jìn)行了分析。并對(duì)焊接熱裂紋的消除和防止進(jìn)行了仿真分析。

接接頭上截取的,焊縫位于試樣中心.其中,焊接方法采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,焊絲采用SQJ 501.無余高焊接接頭試樣是從EH36鋼平板對(duì)接焊,EH36鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2.根據(jù)超聲變幅桿原理設(shè)計(jì)試件,試件的取樣及尺寸如

表1 EH36鋼的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

w(C)	w(Si)	w(Mn)	w(P)	w(S)	w(Cr)	w(Nb)	w(Ti)	w(Ni)
0.18	0.10~0.50	0.90~1.60	0.04	0.04	0.02	0.015~0.050	0.02	0.40

表2 EH36鋼的力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度Rm/ MPa

屈服強(qiáng)度Re/ MPa

沖擊吸收功Ak/

J(-40,℃) 伸長(zhǎng)率A/%

490~620

355

34 21

2.2 斷裂位置及斷口形貌

在掃描電子顯微鏡下分析試樣斷口可以觀察到斷裂在接頭處的斷口凹凸不平,而斷裂在母材的斷口比較平整,如圖所示.這是由于接頭處的缺陷較多,含氫量較母材高(見圖),組織不均勻,而母材的組織比較均勻,斷面比較齊平

在高應(yīng)力作用下的疲勞斷裂紋

3.1 疲勞試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將試樣打磨光滑,試驗(yàn)在自制的TJU-HJ-I型超聲疲勞試驗(yàn)裝置上進(jìn)行.施加載荷為軸向拉-壓對(duì)稱循環(huán)載荷,應(yīng)力比R=-1,頻率約為20,kHz,在室溫下進(jìn)行,用循環(huán)水冷卻的方式控制時(shí)間升溫。

3.2從編寫了標(biāo)本的對(duì)接焊縫地面

?ush與 EH36 鋼和焊接的伴侶-基本材料板對(duì)接接頭rial SQJ501。EH36 鋼是含碳量低產(chǎn)量鋼,它約 400 MPa 的強(qiáng)度。為了避免應(yīng)力集中造成的焊縫斷裂,以確保不同位置的焊接接頭是在相同的應(yīng)激水平在疲勞測(cè)試時(shí),疲勞指標(biāo)-imens 在設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)的常數(shù)部分和焊縫是位于中部的標(biāo)本。保本已經(jīng)被精細(xì)加工,所有的疲勞試驗(yàn)都是在恒幅載荷下進(jìn)行的,疲勞試驗(yàn)采用了超生疲勞實(shí)驗(yàn)設(shè)備TJU-HJ-III風(fēng)格,該標(biāo)本是水冷處理。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這兩個(gè)S-N曲線不斷下降的疲勞壽命對(duì)接焊縫磨平短于材。真正的壓裂紋仍然可以發(fā)生在基礎(chǔ)材料和焊在1 107運(yùn)——疲勞極限不存在概念描述。這是疲勞斷裂仍可能發(fā)生在低應(yīng)力水平只要周期長(zhǎng)足夠了。顯然,這是危險(xiǎn)的應(yīng)用下的疲勞極限1 107年周期的條件設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)壽命。,如表1所示?；闹蠹眲∠陆档钠趶?qiáng)度,疲勞裂紋源骨折標(biāo)本的時(shí)間間隔圖3所示。所有的來自微小的裂紋來源劃痕在試樣表面是否基材或焊接關(guān)節(jié)。雖然焊接接頭更大的內(nèi)部缺陷,他們?nèi)匀徊荒艹蔀榱鸭y源(見圖3),這表明缺陷對(duì)疲勞壽命影響甚微的高應(yīng)力范圍。此外,S-N曲線中表現(xiàn)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)107年和10年的周期,基材和對(duì)接焊縫地面沖洗更大。疲勞裂紋標(biāo)本來源在這個(gè)間隙。所有的裂紋源來自內(nèi)部缺陷,而不是小

表面劃痕。與此同時(shí),與對(duì)接焊縫的疲勞強(qiáng)度接觸面沖洗后的基材相比迅速下降了108年使用年限。這是因?yàn)橛性S多大的焊接缺陷,這意味著內(nèi)部缺陷在疲勞強(qiáng)度的影響上發(fā)揮主導(dǎo)作用,尤其在108個(gè)周期后逐步體現(xiàn)。

4.1包含雜渣缺陷的對(duì)接焊縫接觸面的疲勞分析計(jì)算

圖1為帶有夾雜缺陷的拉拔試樣有限元模型(取包含夾雜缺陷的拉拔試樣的1/2作為分析對(duì)象),加載后邊界條件后的有限元模型如所示。

圖1為帶有夾雜缺陷的拉拔試樣有限元模型

圖2加載后邊界條件后的有限元模型

在靜力破壞的斷口上,通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征;而在疲勞破壞的斷口上,總是呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域特征,一部分是平滑的,另一部分是粗粒狀或纖維狀。因?yàn)槠谄茐臅r(shí),首先在某一點(diǎn)(通常接近構(gòu)件表面)產(chǎn)生微小的裂紋,其起點(diǎn)叫"疲勞源",而裂紋從疲勞源開始,逐漸向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變形,裂開的兩個(gè)面時(shí)而擠緊,時(shí)而松開,這樣反復(fù)摩擦,形成一個(gè)平滑區(qū)域。在交變載荷繼續(xù)作用下,裂紋逐漸擴(kuò)展,承載面積逐漸減少,當(dāng)減少到材料或構(gòu)件的靜強(qiáng)度不足時(shí),就會(huì)在某一載荷作用下突然斷裂,其斷裂面呈粗粒狀或纖維狀。ANSYS 可以針對(duì)整個(gè)模型,也可以針對(duì)一組單元進(jìn)行疲勞分析?？煞奖愕貙?duì)整個(gè)模型或者選擇的區(qū)域進(jìn)行再設(shè)計(jì)和假設(shè)分析,從而觀察從非關(guān)鍵區(qū)域去掉金屬材料的效果,以及增加"熱點(diǎn)"位置的疲勞壽命。 ANSYS 可考慮構(gòu)件表面光潔度影響、幾何外形變化與缺口敏感性影響以及材料特性變化效應(yīng)和不同載荷組合歷史的影響。不同的材料數(shù)據(jù)和應(yīng)力集中系數(shù)可以用于每一個(gè)單元組(允許在同一個(gè)部件上加工面和鍛造面)。 ANSYS FE-SAFE可進(jìn)行疲勞失效率的統(tǒng)計(jì)分析。

圖3為加載后應(yīng)力幅值分布的關(guān)系圖

圖4為 Mises應(yīng)力等值線的生成結(jié)果

圖5為各單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分量的結(jié)果

4.2結(jié)論

察裂紋源可以發(fā)現(xiàn),裂紋源大多處于表面的機(jī)械加工微痕和次表面的缺陷處。缺陷周圍的應(yīng)力狀態(tài)不同尺寸和中心-通過數(shù)值模擬。試樣的幾何特征主要取決于工件形狀和缺陷尺寸,影響區(qū)與焊縫的不同,粗糲的硬度值對(duì)熱影響區(qū)有很大的提升,因此,融合線的兩側(cè)的強(qiáng)度是不同的,斷裂表面疲勞失效分析需要通過掃描電鏡標(biāo)本檢查,裂紋源地方常伴有各種缺陷,

有限元來分析用來分析對(duì)接焊縫的應(yīng)力分布,在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期,低熔點(diǎn)共晶體被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位,形成一種所謂“液態(tài)薄膜”,此時(shí)由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力,這時(shí)焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個(gè)薄弱地帶開裂而形成結(jié)晶裂紋(見圖6)。碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼中的磷、硅、鎳和不銹鋼、耐熱鋼中的硫、磷、硼、鋯等也都能形成低熔點(diǎn)共晶,而且不同元素所形成的低熔點(diǎn)共晶.它們的共晶溫度各不相同?？偟膩碚f,產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因,就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和焊縫凝固過程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

1. 對(duì)兩種厚度的35CrMnSi鋼平板電子束焊接接頭的顯微組織進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:經(jīng)電子束焊接后,兩板焊縫組織均為粗大針狀馬氏體和少量殘余奧氏體,熱影響區(qū)組織由板條馬氏體、貝氏體和少量殘余奧氏體組成,母材組織為鐵素體加珠光體組織。

2. 兩種厚度鋼板電子束焊接接頭各區(qū)域硬度值基本一致,且焊縫硬度高于熱影響區(qū),熱影響區(qū)硬度高于母材。兩種厚度35CrMnSi鋼電子束焊接接頭

拉伸試驗(yàn)的結(jié)果表明:該鋼焊接接頭塑性與母材相比較低,該鋼焊接接頭強(qiáng)度比較得出,2mm接頭強(qiáng)度低于母材,10mm接頭強(qiáng)度高于母材,這與其接頭各區(qū)域的顯微組織密切相關(guān);通過沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),35CrMnSi鋼焊縫沖擊韌度低于母材。

3. 分別采用通孔法和盲孔法測(cè)試了電子束焊接2mm和10mm兩種厚度的35CrMnSi鋼平板焊接接頭的殘余應(yīng)力,分析結(jié)果表明:在焊縫中心處,殘余拉應(yīng)力的峰值低于材料的屈服強(qiáng)度,且焊縫中心處縱向殘余應(yīng)力的峰值遠(yuǎn)大于其橫向應(yīng)力的峰值。

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