CN111175157A - 一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，采用漏斗试样进行，漏斗试样的工作段由弧形段和平行段两部分构成；将待测试焊接接头的微区中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区，然后采用应变集中的弹塑性有限元分析得到的塑性区局部应变，评估焊缝微区的低周疲劳性能。相比传统的光滑试样，采用漏斗试样进行焊接微区疲劳性能的测试，可使疲劳试样最终断裂在需测量的焊接接头微区，测得的疲劳性能全部为该焊接微区的疲劳性能，而不是接头中强度最低区域的疲劳性能。对于低周疲劳，采用塑性区应变作为局部应变来评估漏斗试样的低周疲劳性能，比采用热点应变和危险截面应变评估更可靠，且比临界距离法计算简便。

Description

一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法。

背景技术

焊接结构由于加工方便、重量轻、能达到冶金结合等优点在压力容器、轨道车辆、航空航天、大型装备等制造行业得到了广泛应用，也经常应用于长期承受动态载荷的场合，因此对焊接结构的疲劳性能进行准确地评价十分重要。焊接接头的疲劳评定通常采用传统的光滑试样，通过名义应力应变法或局部应力应变法来评估接头的整体疲劳性能，但传统试样只能测试焊接接头中最薄弱区域的疲劳性能，不能测试接头中某个特定微区的疲劳性能，不便于了解整个接头各微区的疲劳性能。因此从测试焊接接头微区疲劳性能的角度出发，使用漏斗试样以确保测得的疲劳性能为需测试微区的疲劳结果是十分必要的。

测试焊接接头疲劳性能时，通常基于引伸计测量的标距段内的平均应变，即全局应变，这与实际断裂区域的局部应变有偏差。由于疲劳过程中，断裂区域附近的局部应变对疲劳寿命起决定性作用，因此应采用局部应力应变法得到的结果较准确。目前常用的局部法疲劳失效准则有热点应力法、缺口应力强度因子法、等效应力强度因子法和临界距离法等。但局部应变的测量较困难，精确度有待提高，且局部应变的测量范围对结果有较大的影响。有限元法可获得试样上所有区域的应力应变值，适用于局部应力应变的计算。因此，从准确评估焊接接头微区疲劳性能的角度出发，使用弹塑性有限元法计算漏斗试样的应变集中情况，开发一种适用于焊接接头微区低周疲劳评价方法是必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对由于焊接接头存在力学性能不均匀性且接头微区尺寸较小，导致疲劳测试时断裂位置难以确定的问题，提供一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，以解决焊接接头疲劳测试断裂位置不确定和应变寿命曲线不准确的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，采用漏斗试样进行，漏斗试样的工作段由弧形段和平行段两部分构成；将待测试焊接接头的微区中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区，然后采用应变集中有限元分析得到的塑性区局部应变，评估焊缝微区的低周疲劳性能。

本发明进一步的改进在于，具体过程如下：

1)确定待测试的焊接接头微区：试样加工时将待测试的焊接接头微区的中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，确保疲劳试样最终断裂在待测试微区；

2)进行漏斗试样的低周疲劳试验：在待测试微区采用引伸计测量全局应变，将测量的全局应变作为低周疲劳试验的控制参量，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命；

3)使用焊接接头各微区的弹塑性参数进行不同全局应变下的漏斗试样的应力应变集中的有限元计算，得到不同全局应变下的塑性区局部应变；

4)根据步骤2)得到的不同全局应变水平下的疲劳寿命与步骤3)得到的不同全局应变下的塑性区局部应变，采用有限元分析得到的塑性区应变评估焊缝微区的低周疲劳性能。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，计算时，有限元模型为疲劳试样的标距段，固定模型左端，给模型右端施加位移，位移大小为应变量乘以标距长度。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，有限元计算网格大小能够保证进一步减小网格后局部应变不再变化。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，漏斗试样的网格全局尺寸不大于0.10mm，弧形处进行网格细化，弧形处的最小网格尺寸不大于0.05mm。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，母材和焊缝的弹塑性参数由拉伸试验得到，热影响区的弹塑性参数由母材和焊缝的参数插值得到。

本发明进一步的改进在于，对于4mm厚的TC4钛合金激光焊接头的板状漏斗试样，弧形段半径为0.5mm～6.0mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中漏斗试样的工作段包括平行段和弧形段，平行段有利于引伸计的夹持，弧形段的弧形半径合适时，避免了弧形处由于缺口太尖锐导致疲劳试样很快失效；也保证了试样断裂在弧形处，确保疲劳试样断裂在需测量的焊接接头微区部位。相比传统的光滑试样，采用漏斗试样进行焊接微区疲劳性能的测试，可使疲劳试样最终断裂在需测量的焊接接头微区，测得的疲劳性能全部为该焊接微区的疲劳性能，而不是接头中强度最低区域的疲劳性能。对于低周疲劳，采用塑性区应变作为局部应变来评估漏斗试样的低周疲劳性能，比采用热点应变和危险截面应变评估更可靠，且比临界距离法计算简便。

进一步的，弧形区域不应超过标距段，否则引伸计的夹持不方便。待测试微区较窄时，弧形半径应取得较小，避免试样断在相邻微区；待测试微区较宽时，弧形半径可取大一些。焊缝与母材强度差异较大时，弧形半径应取得较小，以免弧形引起的应变集中小于微区材料力学性能差异引起的应变集中；反之弧形半径可取大一些。

附图说明

图1a为板状漏斗试样示意图。

图1b为弧形段半径较小时的U型缺口示意图。

图2为激光焊接头横截面形貌图。

图3a为钛合金激光焊接头应变集中计算模型图。

图3b为边界条件的施加示意图。

图3c为网格图。

图3d为图3c中方框处的放大图。

图4a为全局应变为0.6％时钛合金激光焊接头应变集中计算的应变云图。

图4b为试样棱边弧形路径上的应变分布图。

图5为塑性区局部应变含义的说明图。

图6为钛合金激光焊接头熔合线的低周疲劳性能。

图7为钛合金母材传统试样尺寸示意图。

图8a为全局应变为1.2％时钛合金母材应变集中计算的应变云图。

图8b为全局应变为1.2％时钛合金母材的试样棱边路径上的应变分布图。

图9为钛合金母材使用塑性区局部应变的漏斗试样与传统试样的低周疲劳性能对比。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种焊接接头微区的低周疲劳性能评价方法为：采用漏斗试样进行全局应变控制的焊接接头微区的低周疲劳试验，将待测试微区中心置于漏斗试样的弧形中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区。然后用应变集中有限元分析得到的塑性区局部应变来评估焊缝微区的疲劳性能。具体过程如下：

1)确定要测试的焊接接头微区：试样加工和应力应变集中的有限元计算时将该微区的中心置于漏斗试样的弧形中间位置，确保疲劳试样最终断裂在待测试微区。

2)进行漏斗试样的低周疲劳试验：采用引伸计测量的全局应变作为低周疲劳试验的控制参量，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命。

3)使用焊接接头各微区的弹塑性参数进行不同全局应变下的漏斗试样的应力应变集中的有限元计算，得到不同全局应变下的塑性区局部应变。

4)将有限元分析得到的塑性区应变和低周疲劳试验得到的疲劳寿命用Manson-Coffin公式进行拟合，得到应变寿命曲线，完成焊缝微区的低周疲劳性能评估。

相比传统的光滑试样，采用漏斗试样进行焊接微区疲劳性能的测试，可使疲劳试样最终断裂在需测量的焊接接头微区，测得的疲劳性能全部为该焊接微区的疲劳性能，而不是接头中强度最低区域的疲劳性能。

本发明漏斗试样的工作段为弧形段和平行段两部分构成，弧形区域确保试样断在待测量区域，平行区域确保引伸计便于夹持，如图1a所示。当弧形半径较小时，弧形缺口可变为U型缺口，如图1b所示。

漏斗试样的弧形半径大小应适中，对于4mm厚的TC4钛合金激光焊接头的板状漏斗试样，弧形段半径应在0.5mm～6.0mm的范围内。

采用弹塑性有限元分析进行漏斗试样的应变集中计算，有限元模型为疲劳试样的标距段，固定模型左端，给模型右端施加位移，位移大小为应变量乘以标距长度。

有限元计算网格大小应保证进一步减小网格后局部应变不再变化。本实施例中板状漏斗试样的网格全局尺寸不大于0.10mm，弧形处进行网格细化，弧形处的最小网格尺寸不大于0.05mm。

采用塑性区局部应变代替全局应变来拟合漏斗试样的应变寿命曲线。

具体的，本发明在TC4钛合金激光焊接头熔合线的低周疲劳试验时采用漏斗型试样，低周疲劳试验采用引伸计测得的全局应变控制，将熔合线中心置于漏斗试样的弧形中间位置。然后用母材和焊缝的拉伸性能作为有限元模型中母材和焊缝的材料属性，热影响区的性能由母材和焊缝的性能插值得到。对漏斗试样在不同全局应变下的应变集中情况进行有限元分析，用计算得到的塑性区局部应变来评估熔合线的疲劳性能。

本发明包括以下几个原则：

①采用漏斗试样测试焊接接头微区的疲劳性能，将待测试区域中心置于弧形根部位置。

②依据微区的弹塑性参数进行应变集中的有限元计算，使用弧形处局部应变来评估焊接接头微区的低周疲劳性能。

③将全局应变换算得到的位移作为应变集中有限元计算的载荷。

④使用塑性区应变作为局部应变来评估漏斗试样的低周疲劳性能。

⑤漏斗试样的弧形半径大小应适中。弧形半径过小时，屈服到颈缩之间的应变范围较小，可用于测试的应变范围较小。弧形半径的最大值取决与引伸计标距、待测试微区宽度以及焊缝与母材的强度差异程度。弧形区域不应超过标距段，否则引伸计的夹持不方便。待测试微区较窄时，弧形半径应取得较小，避免试样断在相邻微区；待测试微区较宽时，弧形半径可取大一些。焊缝与母材强度差异较大时，弧形半径应取得较小，以免弧形引起的应变集中小于微区材料力学性能差异引起的应变集中；反之弧形半径可取大一些。

下面通过2个实施例对本发明进行说明，实施例1为钛合金激光焊接头板状漏斗试样的低周疲劳性能评价，实施例2为钛合金母材漏斗试样与传统试样的低周疲劳性能对比。

实施例1

本实施例对4mm厚TC4钛合金激光焊接头熔合线的板状漏斗试样的低周疲劳性能评价。钛合金激光焊参数为激光功率4000W，离焦量6mm，焊接速度1.5m/min，焊接后的焊缝横截面的宏观形貌见图2。通过弹塑性有限元计算得到漏斗试样的应变集中情况，用漏斗试样的塑性区局部应变来评估熔合线处的低周疲劳性能。具体的操作步骤如下：

(1)采用如图1a所示的漏斗试样进行低周疲劳试验，漏斗根部为熔合线区域。低周疲劳试验的加载波形为三角波，应变速率为0.004s^-1，应变比为-1，应变幅为0.5～1.0％。引伸计标距为12.5mm。低周疲劳试验采用引伸计测得的全局应变进行控制，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命。

(2)对激光焊接头漏斗试样的标距段进行有限元建模，如图3a所示。固定模型左端，在模型右端施加位移的边界条件，如图3b。施加的位移值等于低周疲劳试验的最大全局应变乘以标距段长度。经过优化后的网格见图3c和图3d，全局网格尺寸为0.1mm，弧形处细化网格，弧形处的网格尺寸为0.05mm。

(3)母材和焊缝的弹塑性参数由拉伸试验得到，热影响区的弹塑性参数由母材和焊缝的参数插值得到，各区域的常规力学参数见表1。

表1钛合金激光焊接头各微区的弹塑性参数

(4)将各区域的材料属性分别赋予各区域，进行全局应变为0.5～1.0％下焊接接头应变集中的有限元计算，得到不同全局应变下的塑性区局部应变。全局应变为0.6％下的应变分布云图如图4a所示，图4a中试样棱边弧形区域路径AB上的应变分布见图4b，x＝0处为弧形根部，弧形根部处于上表面熔合线和下表面熔合线的中间，弧形根部熔合线处的应变最大。

(5)根据步骤(1)得到的不同全局应变水平下的疲劳寿命与步骤(4)得到的不同全局应变下的塑性区局部应变，通过Manson-Coffin方法对塑性区局部应变和低周疲劳寿命进行应变寿命曲线的拟合，完成熔合线的低周疲劳性能评估。塑性区应变的含义见图5，图5中ABCD面为试样宽度最小的危险截面，AE线在试样上表面的AB线上，塑性区应变指塑性区内AE线上所有节点的平均应变。图6为使用局部应变和全局应变得到的TC4钛合金激光焊接头熔合线处的应变寿命曲线，使用局部应变和全局应变评估的应变寿命曲线存在显著差异。图6中横轴为2倍的疲劳寿命，纵轴为总应变幅，局部应变的应变寿命曲线采用的是塑性区局部应变，全局应变的应变寿命曲线采用的是引伸计测量得到的全局应变。

实施例2

本实施例对4mm厚TC4钛合金母材的漏斗试样和传统试样的低周疲劳性能进行对比。钛合金母材的漏斗试样尺寸与焊接接头的相同，传统试样的疲劳试样尺寸见图7。通过弹塑性有限元计算得到母材漏斗试样的应变集中情况，分别用漏斗试样的全局应变和局部应变来评估钛合金母材的低周疲劳性能，并与传统试样测试得到的钛合金母材的低周疲劳性能进行对比。具体的操作步骤如下：

(1)对钛合金母材的漏斗试样和传统试样均进行低周疲劳试验，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命。低周疲劳试验的加载波形为三角波，应变速率为0.004s^-1，应变比为-1，漏斗试样的应变幅为0.6～1.2％，传统试样的应变幅为1.0～1.6％。引伸计标距为12.5mm。

(2)对钛合金母材漏斗试样的标距段进行有限元建模，母材的模型未划分焊接接头各区域，材料属性均按照表1中母材的力学性能设置。母材模型的边界条件和网格设置均与图3b和图3c中焊接接头的模型相同。

(3)进行全局应变为0.6～1.2％下钛合金母材应变集中的有限元计算，全局应变为1.2％下的应变分布云图如图8a所示，图8a中试样棱边弧形区域路径CD上的应变分布见图8b，弧形根部存在明显的应变集中。

(4)使用有限元计算得到不同全局应变下的塑性区局部应变，并用Manson-Coffin公式对塑性区局部应变和步骤(1)得到的疲劳寿命进行曲线拟合，得到钛合金母材的应变寿命曲线。

使用全局应变的漏斗试样、塑性区局部应变的漏斗试样和传统试样的钛合金母材低周疲劳性能对比见图9。使用全局应变的漏斗试样与传统试样的应变寿命曲线相差较大，说明使用全局应变来评价漏斗试样低周疲劳性能的误差较大。使用塑性区局部应变的漏斗试样和传统试样的低周疲劳性能十分接近，说明使用弹塑性有限元分析得到的塑性区局部应变的漏斗试样可以较好地评价材料的低周疲劳性能。且漏斗试样可使疲劳试样断裂在需要测试的焊接微区，得到该微区的低周疲劳性能；而传统试样只能得到焊接接头中最薄弱区域的低周疲劳性能，不能得到任意一个焊接微区的低周疲劳性能。

漏斗试样的低周疲劳试验由引伸计测得的全局应变控制，对试样标距段进行不同全局应变下的基于弹塑性参数的应变集中有限元分析，得到漏斗根部的微区局部应变，并采用塑性区局部应变进行应变寿命曲线的拟合。漏斗型试样可使疲劳试样最终断在需测试的微区，采用塑性区应变评价微区低周疲劳性能准确性要高于采用全局应变的低周疲劳性能评价方法。

本实施例仅用以说明本发明方法，并非限定方法所涉及的工艺、参数范围，本领域工作人员对本发明的做的其它修改或同等替换，只要不脱离本发明的精神范围，均应涵盖在本发明的专利的权利要求范围之中。

Claims (7)

1.一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，采用漏斗试样进行，漏斗试样的工作段由弧形段和平行段两部分构成；将待测试焊接接头的微区中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区，然后采用应变集中有限元分析得到的塑性区局部应变，评估焊缝微区的低周疲劳性能。

2.根据权利要求1所述的一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，具体过程如下：

1)确定待测试的焊接接头微区：试样加工时将待测试的焊接接头微区的中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，确保疲劳试样最终断裂在待测试微区；

2)进行漏斗试样的低周疲劳试验：在待测试微区采用引伸计测量全局应变，将测量的全局应变作为低周疲劳试验的控制参量，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命；

3)使用焊接接头各微区的弹塑性参数进行不同全局应变下的漏斗试样的应力应变集中的有限元计算，得到不同全局应变下的塑性区局部应变；

4)对步骤2)得到的不同全局应变水平下的疲劳寿命与步骤3)得到的不同全局应变下的塑性区局部应变进行应变寿命曲线的拟合，完成对焊缝微区低周疲劳性能的评估。

3.根据权利要求2所述的一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，步骤3)中，计算时，有限元模型为疲劳试样的标距段，固定模型左端，给模型右端施加位移，位移大小为应变量乘以标距长度。

4.根据权利要求2所述的一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，步骤3)中，有限元计算网格大小能够保证进一步减小网格后局部应变不再变化。

5.根据权利要求2所述的一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，步骤3)中，漏斗试样的网格全局尺寸不大于0.10mm，弧形处进行网格细化，弧形处的最小网格尺寸不大于0.05mm。

6.根据权利要求2所述的一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，步骤3)中，母材和焊缝的弹塑性参数由拉伸试验得到，热影响区的弹塑性参数由母材和焊缝的参数插值得到。

7.根据权利要求1所述的一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，对于4mm厚的TC4钛合金激光焊接头的板状漏斗试样，弧形段半径为0.5mm～6.0mm。

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