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進步焊接接頭疲憊性能的研究進展和最新技術

2019-11-20 02:13   评论:66 点击:573

焊接結構的疲憊題目和研究意義. 焊接結構的疲憊題目自從20世紀初塗藥焊條發明至今一百年來,焊接已成為利用最為廣泛的工藝方法,很難找出另一種發展如此之快,並在利用規模和多樣化方麵能與焊接相比的工藝 ,乃至於當代很多最首要的技術題目必須采用焊接才能解決 ,例如:造船、鐵路、汽車、航空、航天、橋梁、鍋爐、大型廠房和高層建築等都離不開焊接技術的撐持。假如焊接沒有發明的話,很多結構甚至坦率的說全部產業是不會產生的。毋庸置疑,目前在工程生產上,焊接是最首要的連接方法,焊接結構的重量已占鋼鐵總產量的50%以上,產業發達國家的這一比例已接近70%。然而焊接結構經常不斷發生斷裂事故,其中90%為疲憊失效。疲憊破壞一向被以為是船舶及海洋工程結構的一種首要的破壞形式 ,自鋼質海船誕生至今,因結構中疲憊裂紋的天生 、擴展,最後導致船舶破壞的事例屢有報道。美國海岸警衛隊船舶結構委員會(Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard)曾組織氣力對六種不同類型的77艘民用船舶及9艘軍艦中六十多萬個結構細部進行了調查研究和統計分析,結果表明,有約九分之一的破壞與疲憊有關。曆史上海洋平台的幾次重大事故,如965年日本為美國建造的Sedco型半潛式平台在交貨途中破損沉沒 ,造成3人死亡;980年Alexan—derKeyland號半潛式平台在北海翻沉,使一百餘人葬身海底,調查分析的結果表明,結構的疲憊是造成事故的首要啟事之一。同樣,疲憊失效也頻繁發生在鐵路公路橋梁和發電站的管道上 。在五六十年代,歐洲公路網得到高速發展,當時大多采用焊接技術建造鋼橋,由於那時對公路橋梁疲憊熟悉不足,在規範中沒有規定進行抗疲憊設計 ,出現了很多設計不公道的焊接接頭,在今天日益繁忙和加重的交通運輸載荷下,加快了疲憊損傷過程,很多焊接鋼橋出現了疲憊裂紋。在我國焊接結構因疲憊題目而失效的工程事例也不斷出現,例如,九十年代末,高速客車轉向架中焊接接頭的疲憊斷裂,和水輪機葉片根部的疲憊斷裂等,都給國家和企業造成了巨大的經濟損失 。.2 焊接結構疲憊失效的啟事焊接結構疲憊失效的啟事首要有以下幾個方麵:① 客觀上講,焊接接頭的靜載承受能力一般並不低於母材;而承受交變動載荷時,其承受能力卻遠低於母材,而且與焊接接頭類型和焊接結構形式有密切的關係。這是引發一些結構因焊接接頭的疲憊而過早失效的一個首要的身分;② 初期的焊接結構設計以靜載強度設計為主,沒有考慮抗疲憊設計,或者是焊接結構疲憊設計規範並不完善,乃至於出現了很多現在看來設計不公道的焊接接頭;③ 工程設計技術職員對焊接結構抗疲憊性能的特點了解不夠,所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲憊設計準則與結構形式;④ 焊接結構日益廣泛,而在設計和製造過程中人為盲目尋求結構的低本錢、輕量化 ,導致焊接結構的設計載荷愈來愈大; ⑤ 焊接結構有往高速重載方向發展的趨勢,對焊接結構承受動載能力的要求愈來愈高,而對焊接結構疲憊強度方麵的科研水平相對滯後。.3 進步焊接結構疲憊性能方法的研究意義疲憊事故的頻繁發生在一定程度上製約了焊接結構的進一步廣泛利用,使一些場合不得不放棄使用焊接結構,甚至懷疑焊接結構能否適用於承受動載的工程實際 ,故而焊接結構的抗疲憊題目引發國內外有關專家和工程技術職員,特別是國際焊接學會疲憊專業委員會的普遍關注。在大量疲憊試驗與工程實踐的基礎上,焊接結構抗疲憊設計規範不斷出台,如英國橋梁疲憊設計規範BS5400、歐洲鋼結構協會的疲憊設計規範、日本的鋼橋設計規範、美國鐵路橋梁和高速公路設計規範、國際焊接學會的循環加載焊接鋼結構的疲憊設計規範IIW.DOC-639-8l和我國的鋼結構設計規範GB-7-88。世界各首要造船及海洋資本開發國家,都在船舶及海洋工程結構的設計建造和檢驗進級規範中對焊接結構的疲憊強度作出了規定和要求。由於焊接接頭焊趾處的焊接缺陷 、應力集中和殘餘拉伸應力的感化,其疲憊強度大幅度地低於基本金屬的疲憊強度。所以焊接結構的疲憊強度取決於接頭的疲憊性能,即焊接接頭的抗疲憊性能 ,關係著焊接結構能否安全使用。是以為了保證焊接結構可靠性,在設計承受交變動載荷的焊接結構時,設計規範規定以焊接接頭的疲憊強度作為整體結構的疲憊強度 ,而不采用基本金屬的疲憊強度 ,顯然這造成極大浪費。即使如此,在接頭處局部應力集中感化下,仍然會發生整體結構的過早疲憊失效。為了使焊接結構很好地滿足工程上對其提出的承受動載的要求,能夠采取的措施首要有兩點。一方麵,增加對焊接結構抗疲憊性能的了解,精心設計結構形式及接頭形式,使所設計的焊接結構更公道,具有更高的疲憊強度;同時進步和嚴格控製焊接質量,防止和減少焊接缺陷的產生;另一方麵,直接麵對焊接接頭疲憊性能較差的弱點,在焊接結構製造過程中、完成後和使用過程中采取有效的工藝措施,進步接頭的疲憊強度,增加其承受動載的能力、延長其使用壽命。是以進步和改善焊接接頭疲憊強度具有極大的潛伏經濟效益和社會效益,長期來,它是國內外有關專家研究的熱門課題。2 影響焊接結構疲憊強度的首要身分2. 靜載強度對焊接結構疲憊強度的影響在鋼鐵材料的研究中,人們總是希看材料具有較高的比強度,即以較輕的本身重量往承擔較大的負載重量,由於相同重量的結構可以具有極大的承載能力;或是同樣的承載能力可以減輕本身的重量 。所以高強鋼應運而生,也具有較高的疲憊強度,基本金屬的疲憊強度總是隨著靜載強度的增加而進步。但是對於焊接結構來說,情況就不一樣了 ,由於焊接接頭的疲憊強度與母材靜強度、焊縫金屬靜強度、熱影響區的組織性能和焊縫金屬強度匹配沒有多大的關係,也就是說隻要焊接接頭的細節一樣,高強鋼和低碳鋼的疲憊強度是一樣的,具有同樣的S-N曲線,這個規律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox研究了屈服點在386—636MPa之間的碳錳鋼和用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區的疲憊裂紋擴展情況,結果表明:材料的力學性能對裂紋擴展速率有一定影響,但影響並不大 。在設計承受交變載荷的焊接結構時,試圖通過選用較高強度的鋼種來滿足工程需要是沒成心義的。隻有在應力比大於+0.5的情況下,靜強度條件起首要感化時,焊接接頭母材才應采用高強鋼 。造成上述結果的啟事是由於在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類似咬邊的熔渣楔塊缺陷,其厚度在0.075mm-0.5mm,尖端半經小於0.05mm。該尖銳缺陷是疲憊裂紋開始的地方,相當於疲憊裂紋形成階段,因此接頭在一定應力幅值下的疲憊壽命,首要由疲憊裂紋的擴展階段決定。這些缺陷的出現使得所有鋼材的相同類型焊接接頭具有同樣的疲憊強度,而與母材及焊接材料的靜強度關係不大。2.2 應力集中對疲憊強度的影響2.2. 接頭類型的影響焊接接頭的形式首要有:對接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭,在接頭部位由於傳力線受到幹擾,因此發生應力集中現象。對接接頭的力線幹擾較小,因此應力集中係數較小,其疲憊強度也將高於其他接頭形式。但實驗表明,對接接頭的疲憊強度在很大範圍內變化,這是由於有一係列身分影響對接接頭的疲憊性能的原因。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類型、焊接位置、焊縫外形、焊後的焊縫加工、焊後的熱處理等均會對其發生影響。具有永久型墊板的對接接頭由於墊板處形成嚴重的應力集中,降低了接頭的疲憊強度 。這類接頭的疲憊裂紋均從焊縫和墊板的接合處產生,而並不是在焊趾處產生,其疲憊強度—般與不帶墊板的最不佳外形的對接接頭的疲憊強度相等 。十字接頭或T形接頭在焊接結構中得到了廣泛的利用。在這類承力接頭中,由於在焊縫向基本金屬過渡處具有明顯的截麵變化 ,其應力集中係數要比對接接頭的應力集中係數高,是以十字或T形接頭的疲憊強度要低於對接接頭。對未開坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開坡口接頭,當焊縫傳遞工作應力時,其疲憊斷裂可能發生在兩個薄弱環節上,即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上 。對於開坡口焊透的的十字接頭,斷裂一般隻發生在焊趾處,而不是在焊縫處 。焊縫不承受工作應力的T形和十字接頭的疲憊強度首要取決於焊縫與首要受力板交界處的應力集中,T形接頭具有較高的疲憊強度,而十字接頭的疲憊強度較低。進步T形或十字接頭疲憊強度的根本措施是開坡口焊接 ,並加工焊縫過渡處使之油滑過渡,通過這類改進措施,疲憊強度可有較大幅度的進步。搭接接頭的疲憊強度是很低的,這是由於力線受到了嚴重的扭曲。采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是極不公道的,由於加大了應力集中影響,采用蓋板後,本來疲憊強度較高的對接接頭被大大地削弱了。對於承力蓋板接頭,疲憊裂紋可發生在母材,也可發生在焊縫,另外改變蓋板的寬度或焊縫的長度,也會改變應力在基本金屬中的分布,是以將要影響接頭的疲憊強度,即隨著焊縫長度與蓋板寬度比率的增加,接頭的疲憊強度增加,這是由於應力在基本金屬平分布趨於均勻所致。2.2.2 焊縫外形的影響無論是何種接頭形式,它們都是由兩種焊縫連接的,對接焊縫和角焊縫。焊縫外形不同,其應力集中係數也不相同,從而疲憊強度具有較大的分散性。對接焊縫的外形對於接頭的疲憊強度影響最大。工程事例也不斷出現,例如,九十年代末,高速客車轉向架中焊接接頭的疲憊斷裂,和水輪機葉片根部的疲憊斷裂等,都給國家和企業造成了巨大的經濟損失。.2 焊接結構疲憊失效的啟事焊接結構疲憊失效的啟事首要有以下幾個方麵:① 客觀上講,焊接接頭的靜載承受能力一般並不低於母材;而承受交變動載荷時,其承受能力卻遠低於母材,而且與焊接接頭類型和焊接結構形式有密切的關係。這是引發一些結構因焊接接頭的疲憊而過早失效的一個首要的身分;② 初期的焊接結構設計以靜載強度設計為主 ,沒有考慮抗疲憊設計,或者是焊接結構疲憊設計規範並不完善,乃至於出現了很多現在看來設計不公道的焊接接頭;③ 工程設計技術職員對焊接結構抗疲憊<頁

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