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不同金属焊缝结构在波动载荷作用下发生疲劳破坏。不同金属焊接接头的结构在许多工业应用中被发现。利用能量平衡方程和红外摄像机对0.76 mm 304 L不锈钢和低碳钢激光焊缝的疲劳寿命进行了估算。


根据L4田口法进行了激光焊接实验,并利用田口法确定了最佳工艺参数。考虑在最佳工艺参数下制备的焊接接头的疲劳寿命预测。在保持振幅恒定的情况下,通过改变预拉伸载荷进行疲劳试验。在疲劳寿命试验中,用红外摄像机捕捉到试样温度的上升。本文以“Fatigue Life Prediction of Dissimilar Metal Laser Weld Joints”为题于2020年8月12日发布于《Journal of The Institution of Engineers (India): Series C》杂志上。


研究背景


在波动载荷作用下,焊缝结构在材料的极限强度下产生微裂纹。在疲劳试验中产生的应力对焊接接头的强度有显著影响,因此在焊缝疲劳寿命评估中考虑诱导应力是必要的。感应应力的发展取决于焊接工艺参数的使用。


诱导应力对低碳钢和16MnCr5合金钢的抗拉强度、硬度和焊缝几何形状均有影响。根据L9正交阵设计矩阵对6mm厚的P91板进行了研究,得到了最大焊透度、最小焊宽和横截面积之间的权衡关系。影响参数对热影响区形态、可焊性、焊缝形状、强度、显微硬度、孔隙度和特征的部分,充分渗透到激光焊接进行了测试和观察,发现焊缝形状的变化低于1700 W的权力和2毫秒脉冲持续时间无论焊接速度。


与厚度相比,横向的显微硬度更高,而且在焊缝底部也观察到气孔。对涂层S355结构钢的疲劳强度进行了分析,结果表明涂层对疲劳寿命的影响微乎其微。激光焊接接头的疲劳强度取决于焊缝头和焊缝根的几何形状。研究了焊缝的抗冲击性能,评估了焊缝几何形状对焊缝断裂韧性的影响。


对航空航天用激光表面处理的铝合金材料进行了裂纹分析,以降低裂纹扩展速率。结果表明,经激光处理后的焊缝表面涂覆碳后,疲劳寿命提高了两倍。通过施加应力比分别为0.1和10hz的拉伸载荷,研究了碳纤维增强塑料贴片对铝合金蒙皮表面的影响。


在预裂裸试件上加一层碳纤维增强塑料后,三层和五层补片的疲劳寿命均有改善。采用连续线性裂纹增量法对平面和非平面裂纹问题进行疲劳寿命试验,并与有限元耦合方法进行了比较。


采用红外热像法研究了高循环载荷下焊缝加固对AZ31B镁合金焊缝疲劳强度的影响。考虑滑动轴承、壁厚和垫片对疲劳寿命的影响,分析了静、转子往复运动引起的冲击应力和疲劳损伤。利用图像相关和红外热像技术对应变梯度和温度进行了评价。从这些技术获得的结果被用于开发一个预测焊接行为的模型。提出了一种考虑材料微观和宏观因素的有效疲劳寿命预测模型。


304 L不锈钢(SS)和低碳钢(MS)焊接接头广泛应用于飞机、造船、压力容器、汽车、家用器皿和管道等领域。


图为实验装置


图为标本a激光焊接试样b焊接接头组织c焊缝板骨架d为疲劳试验准备的样品


通过测量激光束在150 mm焦距上聚焦后的热纸烧损区域,确定了激光束直径的大小。通过改变工艺参数,从部分穿透到薄片的烧成,通过试验确定了工艺参数的取值范围。


一个定制的疲劳试验装置,如图所示。用于在最佳参数下生成的试样的疲劳寿命估计。疲劳试验的预应力值是根据ASME疲劳试验和加载条件准则确定的。ASME建议将屈服强度的30%作为疲劳试验的失效应力极限,即146.4 MPa,这是从拉伸强度试验中得到的。初步试验是在35 MPa和40 MPa的预应力值下进行的。



图为红外摄像机疲劳寿命测试装置


用特斯托875热像相机记录了试件疲劳寿命试验过程中温度的升高,其分辨率为320×240,在303 K时灵敏度为0.08K,工作频率为7Hz。为了避免反射和发射性,在焊缝试样上涂上一层薄薄的黑色涂料进行疲劳试验。在测量过程中,用距离实验装置50 cm的红外摄像机记录了20 min的温升,并一直持续到断裂。


图为疲劳试验结果


利用Taguchi正交阵列设计矩阵得到的最佳工艺参数,对异种金属薄板进行激光焊接。方差分析得到的焊接速度δ最大值为1.053,焊接速度对工艺参数的影响最大,而焦距对焊接速度的影响最小。


当低碳钢强度小于304 L不锈钢时,应力水平的进一步提高会导致试样的失效。在被测样品中观察到可忽略不计的变形。用实验数据绘制的S/N曲线和304 L不锈钢和低碳钢材料的标准S/N曲线如图所示。


图为贱金属与异种金属焊接接头的S/N曲线


图为50 MPa循环次数的温度变化曲线


图为不同预应力值下的温度曲线


实验和热像分析结果表明,焊缝试样的失效发生在54.84MPa。这是由于焊接的化学和力学性质的变化。描述了实验和分析方法的结果,而热成像法则描述了与实验结果相比,焊缝在较低的循环次数下发生失效的情况。在预应力值为55 MPa时,相对百分比误差最小为2.5,而在两侧55 MPa时,相对百分比误差增大,在65 MPa时误差最大。


研究结论


对0.76 mm厚的304 L不锈钢和低碳钢异种金属激光焊接接头的疲劳寿命进行了实验和理论研究。采用田口正交阵列设计矩阵,在获得的最佳工艺参数下制备焊缝。研制了激光焊接接头疲劳寿命预测实验装置。


焊接接头被发现有足够的强度来承受施加的循环荷载,其预应力值为54.84 Mpa。低碳钢侧母材焊接接头的HAZ区发生疲劳破坏。该数学模型结合红外摄像机对疲劳寿命的预测精度为85.5%。


实验预测的误差在14.5 ~ 2.5%之间,在55 MPa的预应力值下,相对百分比误差最小为2.5。不同金属焊接接头的疲劳寿命可以通过测量104个循环内的初始温升来估算,而无需进行破坏试验。


参考文献:A. P. Tadamalle & Y. P. Reddy Fatigue Life Prediction of Dissimilar Metal Laser Weld Joints  Journal of The Institution of Engineers (India): Series C 1027–1033(2020)



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