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2022年 第43卷  第5期

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高性能焊接与评价
新型马氏体耐热钢蠕变-疲劳性能与寿命预测
赵雷, 冯国才, 徐连勇, 韩永典, 荆洪阳
2022, 43(5): 1-7. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101003
摘要:
针对P92和G115新型马氏体耐热钢进行了应力控制下蠕变-疲劳性能研究,分析了保载时间和峰值应力对应力控制下蠕变-疲劳性能的影响规律. 结果表明,应力控制下蠕变-疲劳过程中蠕变变形和损伤主导了蠕变-疲劳寿命. 蠕变-疲劳寿命随峰值应力和保载时间的增加而下降,同时相同峰值应力下,G115钢的蠕变-疲劳寿命约是P92钢的8~10倍,但G115钢对峰值应力与保载时间的交互作用更为敏感. 材料高温强度的变化导致G115钢的蠕变-疲劳性能优于P92钢. 针对应力控制下蠕变-疲劳寿命预测,研究了能量法、应变能密度耗竭法、频率分离法和回线能量法等. 并基于应力控制蠕变-疲劳非弹性应变损伤机制,提出了最小循环蠕变速率法和基于纯蠕变的最小蠕变速率法. 结果表明:最小循环蠕变速率法预测精度最高,而基于纯蠕变的最小蠕变速率法对高寿命区预测良好,而低寿命区误差偏大.
NiFe基合金激光增材制造热裂纹形成机理及调控
王帅, 付立铭, 袁勇, 尹宏飞, 徐济进, 谷月峰
2022, 43(5): 8-13. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101001
摘要:
针对NiFe基高温合金增材制造过程易出现热裂纹的问题,开展该合金热裂纹形成机理的研究,提出通过层间温度控制以及粉末氮化的方法,降低NiFe基高温合金激光增材过程中的热裂纹敏感性. 结果表明,热裂纹的出现主要是由于元素偏析以及热应力所引发的,热裂纹位置大多在大角度晶界处,这是由于大角度晶界中能量较高,在冷却过程中,晶界内液膜的存贮时间较长,从而造成偏析加剧. 当层间温度较低,冷却速度加快,能够减少合金中有害碳化物的长大,降低了大角度晶界比例,从而抑制热裂纹的出现. 粉末预氮化通过预先将Ti, Nb等元素进行氮化,形成稳定氮化物,在抑制开裂敏感性元素偏析的同时增加了形核点,促进晶粒细化,从而降低该合金的热裂纹敏感性.
表层组织状态对6005A铝合金MIG焊接头液化裂纹及疲劳性能的影响
韩晓辉, 李帅贞, 吴来军, 檀财旺, 李刚卿, 宋晓国
2022, 43(5): 14-20. doi: 10.12073/j.hjxb.20210825004
摘要:
采用扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射和高周疲劳试验,研究了表层组织状态对轨道交通用6005A铝合金MIG焊接头液化裂纹及疲劳性能的影响. 结果表明,粗晶组织晶界附近第二相粗大,导致热影响区晶界液膜厚度达到8 ~ 10 μm,使得液化晶界抵抗拉应力的能力降低,从而对液化裂纹缺陷更敏感. 因表层粗晶组织形成的液化裂纹成为疲劳过程中可能的裂纹源,对接头疲劳性能产生不利影响. 改善母材表层粗晶组织可以抑制液化裂纹的形成,提高接头疲劳性能. 在1 × 107循环周次下,表层粗晶接头疲劳强度为93 MPa,表层细晶接头疲劳强度为107 MPa.
基于单边缺口拉伸试样的环缝接头阻力曲线确定方法对比
龚宝明, 田润明, 刘秀国, 邓彩艳, 王东坡
2022, 43(5): 21-28. doi: 10.12073/j.hjxb.20210610001
摘要:
近些年单边缺口拉伸(SENT)试样被用于管道基于应变的设计与评估,并且相关机构发展了一些断裂韧性的测试标准,包括DNVGL-RP-F108,CANMET,BMT,USP以及英国国家标准BS 8571等. 但相关测试标准之间在测试原理、测试方法以及断裂韧性计算方法上还存在较大差异,有必要对它们之间的区别进行进一步的研究. 文中以API X80管线钢环缝接头为研究对象,对夹持式单边缺口拉伸(SENT)试样的裂纹尖端张开位移(δ)和J积分阻力曲线不同确定方法进行了对比. 结果表明,通过拟合计算J-R曲线、δ-R曲线以及初始断裂韧性值J0.2δ0.2,给出了SENT试样断裂韧性阻力曲线计算的推荐公式.
高速列车TC4钛合金焊接构架强度及寿命评估
习文顺, 任鑫焱, 张金元, 郭峰, 吴圣川, 李忠文, 韩晓辉
2022, 43(5): 29-35. doi: 10.12073/j.hjxb.20210930001
摘要:
对TC4钛合金进行TIG电弧焊接试验,获取了TC4钛合金母材和焊接接头的硬度分布、基本力学和高周疲劳性能;建立含有假轴的钛合金焊接构架有限元仿真模型,分别校核了新型TC4钛合金和现役S355耐候钢构架的静强度和疲劳强度;基于实测疲劳载荷谱和线性Miner疲劳累积损伤理论,分别评估了TC4钛合金和S355耐候钢构架的疲劳寿命. 结果表明,钛合金和耐候钢构架的最小静强度安全系数分别为2.8和1.5,均大于安全系数阈值,满足设计要求;此外,钛合金和耐候钢构架临界安全部位均位于修正Goodman疲劳极限图的包络范围之内,满足设计要求,且TC4钛合金Goodman疲劳极限图的包络空间远大于S355耐候钢. 在典型8级载荷谱下,若以年运营30 × 107 m估计,构架各关键部位均满足服役寿命35年的设计要求,且TC4钛合金构架估算年限约为S355耐候钢构架的2倍. 研究结果为更高速度和更高安全等级转向架构架的强度及结构设计提供科学依据.
MAG和激光扫描-电弧复合焊X80钢接头组织和性能
李泽宇, 徐连勇, 郝康达, 赵雷, 荆洪阳
2022, 43(5): 36-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101002
摘要:
在激光焊接打底情况下,对比研究了熔化极活性气体保护电弧焊(MAG)和激光扫描-电弧复合焊(OLAHW)工艺对X80管线钢接头成形、显微组织和力学性能(显微硬度、拉伸性能和冲击韧性)的影响规律. 结果表明,两种工艺下均能获得无气孔、夹渣和裂纹缺陷,成形良好的焊接接头,接头组织均主要由针状铁素体(AF)和M-A组元组成. 因为更小的焊接热输入和更快的冷却速度,以及激光束扫描促进形核作用,OLAHW填充接头组织中形成较MAG填充接头更多的针状铁素体和更细小的M-A组元. MAG和OLAHW两种填充工艺下接头平均显微硬度和拉伸强度接近,但OLAHW焊接接头的硬度变化相对MAG接头更平缓、硬度值波动较小,且OLAHW填充接头热影响区和焊缝区冲击吸收能量分别为277和217 J,较MAG填充接头分别提高了64%和42%.
AlCoCrFeNi2.1高熵合金电子束焊接接头耐蚀性
冯道臣, 郑文健, 高国奔, 周州, 贺艳明, 杨建国
2022, 43(5): 43-48. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101006
摘要:
为明确高熵合金焊接接头耐腐蚀行为,采用电子束方法对共晶双相AlCoCrFeNi2.1高熵合金进行焊接,并运用电化学腐蚀方法研究了接头耐蚀性.结果表明,焊缝区域(FZ)自腐蚀电位相比母材(BM)提高0.16 V左右,耐蚀性增强,自腐蚀电流减小了一个数量级,腐蚀速率明显降低.焊接接头母材区域腐蚀坑呈纵深扩展趋势,而焊缝区域腐蚀坑呈横向扩展,并表现出明显的相选择性腐蚀现象.焊缝区域的晶粒细化显著,硬度升高,两相分布呈现密集的“网络”状,元素分布更加均匀,大角度晶界增加,这都增强了焊接接头的耐点蚀穿孔的能力.
光束摆动和氮气合金化对钼合金接头组织和性能的影响
于涵, 潘隆政, 张林杰, 梁文生, 白立安
2022, 43(5): 49-55. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101005
摘要:
钼合金熔化焊接存在晶粒粗大、晶间偏析问题,导致接头力学性能差,采用激光束摆动和氮气合金化方法开展试验研究.结果表明,单独采用光束摆动措施后,焊缝区平均晶粒尺寸减小约28%,焊缝中心显微硬度从190 HV提高到200 HV,钼合金对接接头抗拉强度从29.83 MPa提高到130.03 MPa.单独采用氮气合金化(保护气体10 % N2 + 90 % Ar)的方法后,焊缝中心显微硬度从190 HV提高到240 HV,钼合金对接接头抗拉强度从29.83 MPa提高到350.94 MPa;在同时采用激光摆动与氮气合金化时接头抗拉强度达到了439.43 MPa,为母材抗拉强度的67.8%,且断裂模式由沿晶断裂转变为了沿晶断裂与穿晶解理断裂并存;分析认为氮气合金化对接头性能的强化效果得益于晶内和晶界处Mo2N相的生成.
Q960E焊接粗晶区组织的再热脆化与软化分析
董现春, 张楠, 张侠洲, 田志凌
2022, 43(5): 56-62. doi: 10.12073/j.hjxb.20210702002
摘要:
为了精确获得不同温度梯度条件下焊接热影响区的组织和性能,采用焊接热模拟的方式对一种低碳当量Q960E及其对比钢进行了两次模拟热循环试验,并获得了一次热模拟后的CGHAZ,以及二次热模拟后的未变粗晶热影响区(UA CGHAZ)、过临界粗晶热影响区(SCR CGHAZ)、临界粗晶热影响区(ICR CGHAZ)和亚临界粗晶热影响区(SR CGHAZ)的显微组织,开展了组织分析、冲击韧性测试和硬度表征.结果表明,低碳当量Q960E和高碳当量对比钢的ICR CGHAZ和SR CGHAZ均有再热脆化敏感性,在−40 ℃下对比钢的SR CGHAZ的冲击韧性低至9 J,其晶界点状和条状碳化物分布是再热脆化的主要原因;低碳当量Q960E的SR CGHAZ软化最为严重,其原因是细晶强化、位错强化和析出强化联合丧失造成的.
某构件焊缝疲劳开裂的寿命预测方法应用对比
陈秉智, 何正平, 李向伟, 兆文忠
2022, 43(5): 63-68. doi: 10.12073/j.hjxb.20210824001
摘要:
某轨道车辆的一个横向减振器座的焊缝在服役过程中出现了疲劳裂纹. 为了找到疲劳开裂的原因,在获得疲劳载荷谱的情况下,分别采用名义应力法、热点应力法以及结构应力法对开裂焊缝进行了疲劳寿命数值仿真计算. 数值仿真计算的结果表明,与名义应力和热点应力法相比较,结构应力法的计算结果最符合实际情况,且在焊缝应力集中的识别能力上,结构应力法也明显优于其它两种方法. 结合具体的工程实例,进一步讨论了3种方法的本质差异,得出在焊接结构抗疲劳设计的过程中,结构应力法最值得在应用中普遍推广.
附加超声对6061-T6铝合金/Q235钢搅拌摩擦焊搭接工艺优化
刘涛, 高嵩, 肖光春, 吴程浩, 石磊, 孙志平
2022, 43(5): 69-75. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101007
摘要:
采用超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺实现了6061-T6铝合金和Q235钢异种金属的有效连接,考察了超声能量对焊缝成形、接头组织、力学性能以及焊接载荷的影响.结果表明,施加超声能量可以显著改善焊缝表面成形,增加铝/钢界面区和焊核区的宽度.超声振动细化了焊核区和热力影响区的晶粒组织,改变了搭接接头的断裂机制和断裂位置,提高了接头的力学性能.对焊接过程中焊接载荷的变化进行分析,发现施加超声能量后搅拌头扭矩、焊接轴向力和主轴输出功率均有所下降.
焊接结构超高周疲劳主S-N曲线拟合及寿命预测方法
周韶泽, 郭硕, 陈秉智, 张军, 兆文忠
2022, 43(5): 76-82. doi: 10.12073/j.hjxb.20211116002
摘要:
超声波疲劳试验是获得焊接接头超高周疲劳强度的实用方法. 目前还没有有效方法能够预测和评估任意焊接接头形式的超声超高周疲劳寿命. 文中提出了一种超声简谐共振条件下,评估焊接接头疲劳寿命的瞬态结构应力法,以及超声超高周疲劳主S-N曲线拟合方法. 基于已公开的300个焊接接头试验数据,拟合了铝合金焊接接头20 kHz超高周主S-N曲线. 通过共振模型瞬态仿真分析,后雨流计数获得响应等效结构应力谱,与超高周疲劳主S-N曲线预测焊接结构疲劳寿命. 结果表明,结构应力集中系数不会因焊接接头受到振动或外载大小变化而改变;拟合的超高周疲劳主S-N曲线是一条新的m = 16.5的窄带,将主S-N曲线法理论的适用范围拓展到了超高周区域,可用于任意接头形式的焊接结构件超声振动超高周疲劳寿命预测.
N和O元素引入对GPCA-TIG焊焊缝冲击韧性的影响
黄勇, 郭卫, 王艳磊
2022, 43(5): 83-89. doi: 10.12073/j.hjxb.20210919001
摘要:
通过外层气体引入O和N元素,气体熔池耦合活性TIG焊(gas pool coupled activating TIG welding)可以实现深熔深、高质量和连续焊接. 为了研究清楚O和N元素引入对焊缝冲击韧性的影响规律和机理,针对SUS304不锈钢分别测试了外层气体为O2,N2和O2 + N2时的焊缝低温冲击韧性,并从焊缝组织成分、析出物种类及形态以及晶粒取向等方面分析了其影响机理. 结果表明,外层气体引入对GPCA-TIG焊焊缝低温冲击韧性影响较大,单独引入O2时将明显降低,单独引入N2时降低较少,而同时引入O2和N2将增加焊缝金属低温冲击韧性. O和N元素同时引入增强GPCA-TIG焊缝金属低温冲击韧性的机理主要在于:焊缝组织较细,金属中的O和N元素含量和所形成的非金属夹杂物的增加程度和铁素体数量的下降程度都较少,却增加了奥氏体晶粒大角度晶界数量以及铁素体晶粒与奥氏体晶粒之间位向关系的匹配性,从而使得裂纹不易扩展,韧性增强.
低合金高强钢激光电弧复合焊热模拟热影响区组织与冲击韧性
鲍亮亮, 潘春宇, 刘福建, 张新明, 韩涛
2022, 43(5): 90-97. doi: 10.12073/j.hjxb.20210817001
摘要:
采用焊接热模拟技术制备了低合金高强钢激光电弧复合焊热影响区的均匀化组织试样,并结合示波冲击试验和组织精细化表征技术分析了热模拟试样组织与韧性之间的关系. 结果表明,热模拟粗晶区、细晶区组织为板条马氏体,临界区组织为马氏体和晶界碳化物,亚临界区组织为回火马氏体;峰值温度对热模拟试样裂纹形成功影响不大,对裂纹扩展功具有较大影响;热模拟临界区和粗晶区试样抵抗裂纹扩展的能力较差;当峰值温度相同时,热模拟粗晶区试样的冲击吸收能量随冷却速度的变化不大. 峰值温度主要影响热模拟粗晶区试样裂纹稳定扩展功,峰值温度越高,裂纹稳定扩展功越低. 热模拟粗晶区试样断裂过程属于裂纹扩展控制,马氏体板条块是控制其裂纹稳定扩展的微观组织单元.
基于磁控冶金的铝/钢异种金属焊接特性
闫飞, 周一凡, 唐本刊, 胥永刚, 王春明
2022, 43(5): 98-103. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101004
摘要:
预置纵向交变磁场对铝/钢异种材料进行激光搭接深熔焊试验,采用金相显微镜、扫描电镜等分析方法研究交变磁场对接头宏观形貌、显微组织、元素分布、力学性能及其断裂方式的影响. 结果表明,外加交变磁场作用下铝/钢接头焊缝的熔宽减小、熔深增加. 交变磁场诱导焊缝熔池中产生的电磁力促使界面层形成的IMCs由连续分布转向离散分布,成分偏析和裂纹缺陷得到抑制. 界面层IMCs可能由ζ-FeAl2,θ-FeAl3和β2-FeAl组成. 与未加磁场相比,外加磁场辅助激光焊接可以提高接头的载荷能力,这主要归功于结合面积的增加与焊缝IMCs组织的细化.
7075铝合金TIG焊焊缝的组织和性能与耐腐蚀性
郭立祥, 李小平, 刘骁, 王斌, 王壮壮
2022, 43(5): 104-112. doi: 10.12073/j.hjxb.20210811001
摘要:
采用自研的7075铝合金焊丝对7075铝合金板材进行焊接试验,研究焊接电流(160 ~ 180 A)对焊缝组织和性能与耐蚀性的影响;同时观察T6热处理(480 ℃ + 1 h,120 ℃ + 24 h)后性能的变化.结果表明,焊缝组织均匀为等轴晶,而且随电流增大晶粒尺寸不断增加,热处理后晶界变窄,明显看出析出相变少;XRD和SEM检测发现焊接后焊缝主要由β相(β-AlCu3)、η相(MgZn2)和少量的AlCuMg相组成,同时检测出有Al13Fe4金属间化合物和少量的Mg2Si;热处理后合金元素固溶溶入基体,时效后并没有析出常见的强化相,仅发现Al13Fe4,Mg2Si和少量的Al5Fe3,SiO2杂质相.通过热处理,元素由热处理前的偏析严重,转变为热处理后的分布均匀,降低焊缝处的自腐蚀电位;同时阻抗和相位角均得到提升,耐蚀性最好的为经过热处理后电流165 A的焊缝.