第 1 章  緒論

1.1 課題背景及研究意義 
隨著焊接結(jié)構(gòu)不斷向大型化、輕量化方向的發(fā)展，高強鋼在工程機械、壓力容器、橋梁、船舶、建筑、交通、電力設(shè)備、石油化工以及航空航天等方面的應(yīng)用日益廣泛。但是高強鋼的焊接冷裂紋、熱影響區(qū)脆化和軟化等問題[1]，特
別是，高強鋼的冷裂紋缺陷已經(jīng)成為焊接結(jié)構(gòu)早期失效的主要原因之一，限制了高強鋼優(yōu)異性能的充分發(fā)揮。 在高強鋼接頭的強度失配問題上，若仍然按照“等強原則”，由于焊接時接頭具有較高的拘束應(yīng)力，易引發(fā)冷裂紋的問題，而塑韌性較好的低匹配接頭的引入，緩解了其焊接冷裂紋的問題[2-4]。但是，對于大多數(shù)低匹配接頭而言，其承載能力還尚未達到工作要求。 接頭形狀是影響焊接接頭承載能力的重要因素，通過優(yōu)化接頭形狀可以改變接頭應(yīng)力分布，從而提高接頭承載能力，目前通過有限元模擬輔助設(shè)計無殘余應(yīng)力低匹配“等承載”對接接頭，已滿足了接頭與母材等承載的能力要求[5]。 但是，普遍觀點認為，焊接殘余應(yīng)力的存在對于焊接結(jié)構(gòu)的失效有不可忽略的、多方面的、作用機理不同的影響[6-12]。在焊接時，由于焊接熱源作用的局部性和瞬時性，焊件內(nèi)部會出現(xiàn)大小不等、分布不均勻的殘余應(yīng)力-應(yīng)變場。當焊件服役時，構(gòu)件截面上的殘余應(yīng)力將會結(jié)合服役時的工作應(yīng)力，進而促使構(gòu)件殘余應(yīng)力發(fā)生重新分布。現(xiàn)有研究認為，殘余應(yīng)力對靜載強度有無影響取決于加載過程中焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力能否得到調(diào)勻。若材料的塑性儲備充足，能夠發(fā)生塑性變形，則焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在對于靜載強度沒有影響。若材料塑性儲備不足，加載過程中應(yīng)力峰值會在殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上增加，在載荷應(yīng)力不大時達到材料強度極限而破壞，此時殘余應(yīng)力對靜載強度有影響[13]。這意味著處于脆性狀態(tài)的材料和難于塑性變形的三軸應(yīng)力區(qū)，焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在將會對靜載強度產(chǎn)生影響。 
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著工業(yè)突飛猛進發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)鋼材的強度是最主要的性能指標。在橋梁、船舶、壓力容器等對強度要求較高的設(shè)備制造中，因高強鋼可節(jié)省原材料以及縮減焊接施工工期，提高焊接構(gòu)件的承載能力和使用性能，因此得到了廣泛的應(yīng)用[23]。與普通碳素鋼相比，低合金鋼由于加入了 Cr、Ni、Si 等合金元素，提高了鋼的淬透性，經(jīng)過熱處理后，具有較高的強度和足夠的韌性，獲得良好的綜合力學性能[24]。 由于鋼中添加的合金元素越來越多，低合金高強鋼的強度級別雖然得到較大的提高，但同時其焊接性也會慢慢變差。主要的問題如下： 1）熱影響區(qū)淬硬傾向：焊接時快速冷卻會引起熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織。 2）冷裂紋：焊接時冷裂紋的傾向增大，而且具有延遲性。 3）熱裂紋：多層埋弧焊的焊根處或接近坡口邊緣，其熱裂傾向比較大。 4）粗晶區(qū)脆化：在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)被加熱到 1100  ℃之上時，焊接熱輸入過大，晶粒將會迅速長大或出現(xiàn)魏氏組織，產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。 目前采取的控制措施主要有：從工藝方面考慮，采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理，有助于氫的逸出，，以及多層小焊道焊接，避免過大的線能量輸入[25]。從冶金角度考慮，需要嚴格控制氫的來源，可采用低氫的焊接材料和焊接方法。最新的研究表明，開發(fā)低碳馬氏體及奧氏體加馬氏體雙相型抗裂焊接材料，利用相變應(yīng)力松弛效應(yīng)可以顯著降低焊接拘束應(yīng)力，提高其抗冷裂能力[26]。但其開發(fā)專用的抗裂材料需要昂貴的成本及較長的生產(chǎn)周期。另外，從防止冷裂紋角度出發(fā)，焊接時選用塑韌性較好、強度稍低于母材的焊材，即低匹配接頭是有效的。例如，進行 FGS90WV-20Cr Mn Ti 焊縫強韌性匹配試驗時，選用適度低強焊接材料進行焊縫強度匹配方式設(shè)計，可達到焊縫強度“等強”或“超強”的要求[27]。 
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第 2 章  高強鋼低匹配接頭的靜載等承載設(shè)計 

2.1  引言 
根據(jù)高強鋼低匹配接頭的靜載等承載設(shè)計思想與實現(xiàn)條件，在無焊接殘余應(yīng)力下，進行高強鋼低匹配接頭的靜載等承載設(shè)計和靜載承載能力的驗證。
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2.2  母材及焊材力學性能 

考慮到拉伸過程中構(gòu)件的截面面積會發(fā)生變化，在進行有限元分析時，焊材與母材的名義應(yīng)力應(yīng)變材料屬性需要轉(zhuǎn)換為真應(yīng)力真應(yīng)變材料屬性，故在靜載結(jié)果分析過程中均對應(yīng)材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變值。按照式（2-1）至式（2-4）進行數(shù)據(jù)處理，得到母材與焊材的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖 2-1。10Cr Ni3Mo V 母材的名義屈服強度、抗拉強度、斷裂應(yīng)力分別為662、718、470 MPa，轉(zhuǎn)化真實屈服強度、抗拉強度、斷裂應(yīng)力分別為 703、820、1679 MPa；J422 焊條的名義屈服強度、抗拉強度、斷裂應(yīng)力分別為 378、484、362 MPa，轉(zhuǎn)化真實的屈服強度、抗拉強度、斷裂應(yīng)力分別為 393、608、965 MPa。10Cr Ni3Mo V 母材與 J422 焊條的名義屈服強度匹配比為 0.571，名義抗拉強度匹配比為 0.674，10Cr Ni3Mo V 母材與 J422 焊條力學性能參數(shù)對比見表 2-1。 為使低匹配接頭具有足夠的強度和塑性變形能力，其靜載 ELCC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想是以全面屈服斷裂模式類型為靜載承載能力評定標準。接頭強度應(yīng)十分接近或達到母材抗拉強度，斷裂時母材內(nèi)的等效塑性應(yīng)變峰值應(yīng)先于低強焊縫達到其頸縮真應(yīng)變，而且斷裂位置應(yīng)位于母材而非低強焊縫。 

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第 3 章  焊接過程的有限元分析 ........ 19 
3.1  引言 ........ 19 
3.2  焊接熱源模型 ...... 19 
3.3  焊接模型的建立 ......... 20 
3.3.1  網(wǎng)格劃分 ........ 20 
3.3.2  材料特性 ........ 21 
3.3.3  焊接參數(shù) ........ 21 
3.4  焊后殘余應(yīng)力分析 ..... 22 
3.5  本章小結(jié) ....... 25 
第 4 章  焊接殘余應(yīng)力對靜載強度的影響 ...... 26 
4.1  引言 ........ 26 
4.2  焊后拉伸過程模型的建立 ....... 26 
4.3  焊后拉伸過程中等匹配接頭應(yīng)力均勻化的考察 ...... 27 
4.4  焊后拉伸過程中低匹配接頭應(yīng)力均勻化的考察 ...... 32
4.4.1  橫向加載低匹配接頭應(yīng)力均勻化的考察 ..... 33 
4.4.2  縱向加載低匹配接頭應(yīng)力均勻化的考察 ..... 35 
4.5  本章小結(jié) ....... 38 
第 5 章  殘余應(yīng)力對低匹配 ELCC 靜載強度的影響 .... 40 
5.1  引言 ........ 40 
5.2  焊后拉伸過程中低匹配 ELCC 接頭應(yīng)力均勻化的考察 ........ 40 
5.2.1  橫向加載低匹配 ELCC 接頭應(yīng)力均勻化的考察 ....... 41 
5.2.2  縱向加載低匹配 ELCC 接頭應(yīng)力均勻化的考察 ....... 43 
5.3  本章小結(jié) ....... 47 

第 5 章  殘余應(yīng)力對低匹配 ELCC 靜載強度的影響 

5.1  引言 
前述低匹配靜載等承載設(shè)計接頭是在未考慮殘余應(yīng)力的前提下設(shè)計和驗證的，本章將考察殘余應(yīng)力對其靜載承載能力的影響，進而分析其承載特點和承載優(yōu)勢。焊縫、母材的焊接殘余應(yīng)力峰值均達到各自材料的屈服強度值，故低匹配靜載 ELCC 接頭焊接殘余應(yīng)力峰值僅位于近焊縫的母材區(qū)。無殘余應(yīng)力接頭橫向、縱向拉伸下等效峰值應(yīng)力（826.6、820.9 MPa）與平均載荷應(yīng)力（820 MPa）差值分別為 0.6、0.9  MPa，應(yīng)力基本得到調(diào)勻。有殘余應(yīng)力接頭橫向、縱向拉伸臨近失效時，母材區(qū)等效峰值應(yīng)力（885.8、897.8  MPa）與平均載荷的應(yīng)力（820MPa）差值分別為  65.8、77.8 MPa，較低匹配普通接頭焊接殘余應(yīng)力均勻化程度的差異分別減小 113.1、108.1  MPa，較等匹配普通接頭焊接殘余應(yīng)力均勻化程度的差異分別減小 158.2、122.2 MPa，應(yīng)力調(diào)勻情況得到明顯的改善。垂直焊縫的中截面和端面上距離焊縫中心不同距離的板中性面上節(jié)點隨橫向加載的應(yīng)力變化，如圖 5-2。距橫軸 1.0 mm 位置為焊根坡口輪廓線，距橫軸14.3 mm 范圍內(nèi)為蓋面焊道下方對應(yīng)的位置。 隨橫向載荷增加中截面和端面在板中性面上節(jié)點橫向應(yīng)力的調(diào)勻過程，如圖 5-2a)、圖 5-2b)，中截面和端面由母材區(qū)至焊縫區(qū)初始殘余應(yīng)力分別是 0 MPa至 36 MPa 和 0 MPa 至-556 MPa。在 0-600 MPa 載荷區(qū)間段，中截面焊縫及近焊縫區(qū)域（蓋面焊道下方）橫向應(yīng)力增加的幅度值小于施加載荷值，而遠端母材區(qū)橫向應(yīng)力隨施加的載荷值同幅度逐漸增加，在 600-720  MPa 載荷區(qū)間段，焊縫區(qū)迅速超過其屈服應(yīng)力（393 MPa）而增加，近焊縫母材區(qū)域未達到其屈服強度值（703 MPa），遠離焊縫的母材達到其屈服強度，應(yīng)力的增加幅度值變緩慢，在 720-820  MPa 載荷區(qū)間段遠端母材區(qū)又隨載荷同幅度增加，焊縫及近焊縫區(qū)橫向應(yīng)力緩慢增加，最終中截面在近焊根母材區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力峰值為 942  MPa，與平均載荷的應(yīng)力（820 MPa）差值為 122 MPa；在 0-680 MPa 載荷區(qū)間段，端面焊縫及近焊縫區(qū)域增加的幅度值逐漸增大，母材區(qū)橫向應(yīng)力近同幅度增加，當載荷為 680 MPa 時，焊縫區(qū)由橫向壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，隨后焊縫及附近區(qū)域橫向應(yīng)力又迅速超過屈服應(yīng)力而增加，母材區(qū)橫向應(yīng)力增加幅度值逐漸變緩慢，最終端面在近焊縫母材區(qū)出現(xiàn)的應(yīng)力峰值為 1521 MPa，與平均載荷的應(yīng)力（820 MPa）差值為 701 MPa。 
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結(jié)論 

（1）隨橫向拉伸載荷增加，高強鋼等匹配和低等匹配對接接頭力學行為表現(xiàn)為，遠端母材區(qū)等效應(yīng)力逐漸增加，而焊縫及近縫母材區(qū)應(yīng)力在各自屈服強度的基礎(chǔ)上先降低（中截面等匹配和低匹配接頭在 0-200  MPa 載荷階段降低幅度分別為 38、18 MPa），后增加（中截面等匹配和低匹配接頭在 200 MPa 至臨近失效載荷階段增加幅度分別為 270、302  MPa）。拉伸過程中雖然焊縫、近縫母材區(qū)應(yīng)力與遠端母材區(qū)應(yīng)力差別逐漸減小，但始終存在明顯差別，等匹配和低匹配接頭達到各自臨近失效（820、720 MPa）時，峰值應(yīng)力（1044、898.9 MPa）與平均載荷的應(yīng)力差值分別為 224、178.9 MPa。即橫向拉伸條件下接頭的焊接殘余應(yīng)力未能實現(xiàn)完全調(diào)勻。  
（2）隨縱向拉伸載荷增加，高強鋼等匹配和低匹配接頭力學行為表現(xiàn)為，焊縫及近縫母材區(qū)等效應(yīng)力在各自屈服強度的基礎(chǔ)上增加，但增速較遠端母材區(qū)緩慢（中截面等匹配和低匹配接頭在 200-600  MPa 載荷階段焊縫區(qū)增加幅度分別為 2、45  MPa，母材區(qū)增加幅度分別為 459、462  MPa），拉伸過程中各區(qū)應(yīng)力差別逐漸減小，但近焊縫母材區(qū)應(yīng)力始終明顯高于遠端母材區(qū)，等匹配和低匹配接頭達到各自臨近失效（820、720 MPa）時，峰值應(yīng)力（1020、905.9 MPa）與平均載荷的應(yīng)力差值分別為 200、185.9 MPa。即縱向拉伸載荷下接頭的焊接殘余應(yīng)力也不能實現(xiàn)完全調(diào)勻。 
（3）從等匹配和低匹配普通對接接頭等效應(yīng)力調(diào)勻幅度的對比得出，幾何應(yīng)力集中、材料性能、殘余應(yīng)力單獨對應(yīng)力均勻化的影響分別為 23.9、45.1 和200.1  MPa，故幾何應(yīng)力集中、材料性能、殘余應(yīng)力對應(yīng)力均勻化的影響程度逐漸增大。 
（4）與以往 ELCC 設(shè)計方案相比，提出單個圓弧曲線過渡的低匹配靜載ELCC 設(shè)計方案的蓋面焊道面積小，節(jié)省焊材，在無殘余應(yīng)力作用下，經(jīng)驗證對接接頭和十字接頭均滿足靜載等承載能力要求。有殘余應(yīng)力的低匹配靜載ELCC 設(shè)計對接接頭橫向、縱向拉伸至臨近失效載荷（820 MPa）過程，其應(yīng)力調(diào)勻過程與低匹配普通接頭相類似，最終近縫母材區(qū)等效峰值應(yīng)力（885.8、897.8 MPa）與平均載荷應(yīng)力（820 MPa）差值分別為  65.8、77.8 MPa，較低匹配普通接頭等效應(yīng)力調(diào)勻程度減小 113.1、108.1  MPa，較等匹配接頭等效應(yīng)力調(diào)勻程度減小 158.2、122.2  MPa。故低匹配靜載 ELCC 設(shè)計對接接頭殘余應(yīng)力的均勻化程度得到明顯的改善。 
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參考文獻(略)

本文編號：174877