残余应力作用下低匹配等承载接头的静载力学响应特征

发布时间：2016-11-14 20:55

第 1 章  绪论

1.1 课题背景及研究意义 
随着焊接结构不断向大型化、轻量化方向的发展，高强钢在工程机械、压力容器、桥梁、船舶、建筑、交通、电力设备、石油化工以及航空航天等方面的应用日益广泛。但是高强钢的焊接冷裂纹、热影响区脆化和软化等问题[1]，特
别是，高强钢的冷裂纹缺陷已经成为焊接结构早期失效的主要原因之一，限制了高强钢优异性能的充分发挥。 在高强钢接头的强度失配问题上，若仍然按照“等强原则”，由于焊接时接头具有较高的拘束应力，易引发冷裂纹的问题，而塑韧性较好的低匹配接头的引入，缓解了其焊接冷裂纹的问题[2-4]。但是，对于大多数低匹配接头而言，其承载能力还尚未达到工作要求。 接头形状是影响焊接接头承载能力的重要因素，通过优化接头形状可以改变接头应力分布，从而提高接头承载能力，目前通过有限元模拟辅助设计无残余应力低匹配“等承载”对接接头，已满足了接头与母材等承载的能力要求[5]。 但是，普遍观点认为，焊接残余应力的存在对于焊接结构的失效有不可忽略的、多方面的、作用机理不同的影响[6-12]。在焊接时，由于焊接热源作用的局部性和瞬时性，焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力-应变场。当焊件服役时，构件截面上的残余应力将会结合服役时的工作应力，进而促使构件残余应力发生重新分布。现有研究认为，残余应力对静载强度有无影响取决于加载过程中焊件内部残余应力能否得到调匀。若材料的塑性储备充足，能够发生塑性变形，则焊件内部残余应力的存在对于静载强度没有影响。若材料塑性储备不足，加载过程中应力峰值会在残余应力的基础上增加，在载荷应力不大时达到材料强度极限而破坏，此时残余应力对静载强度有影响[13]。这意味着处于脆性状态的材料和难于塑性变形的三轴应力区，焊件内部残余应力的存在将会对静载强度产生影响。 
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1.2  国内外研究现状
随着工业突飞猛进发展，工程结构钢材的强度是最主要的性能指标。在桥梁、船舶、压力容器等对强度要求较高的设备制造中，因高强钢可节省原材料以及缩减焊接施工工期，提高焊接构件的承载能力和使用性能，因此得到了广泛的应用[23]。与普通碳素钢相比，低合金钢由于加入了 Cr、Ni、Si 等合金元素，提高了钢的淬透性，经过热处理后，具有较高的强度和足够的韧性，获得良好的综合力学性能[24]。 由于钢中添加的合金元素越来越多，低合金高强钢的强度级别虽然得到较大的提高，但同时其焊接性也会慢慢变差。主要的问题如下： 1）热影响区淬硬倾向：焊接时快速冷却会引起热影响区产生马氏体组织。 2）冷裂纹：焊接时冷裂纹的倾向增大，而且具有延迟性。 3）热裂纹：多层埋弧焊的焊根处或接近坡口边缘，其热裂倾向比较大。 4）粗晶区脆化：在热影响区的粗晶区被加热到 1100  ℃之上时，焊接热输入过大，晶粒将会迅速长大或出现魏氏组织，产生脆化现象。 目前采取的控制措施主要有：从工艺方面考虑，采用焊前预热和焊后热处理，有助于氢的逸出，，以及多层小焊道焊接，避免过大的线能量输入[25]。从冶金角度考虑，需要严格控制氢的来源，可采用低氢的焊接材料和焊接方法。最新的研究表明，开发低碳马氏体及奥氏体加马氏体双相型抗裂焊接材料，利用相变应力松弛效应可以显著降低焊接拘束应力，提高其抗冷裂能力[26]。但其开发专用的抗裂材料需要昂贵的成本及较长的生产周期。另外，从防止冷裂纹角度出发，焊接时选用塑韧性较好、强度稍低于母材的焊材，即低匹配接头是有效的。例如，进行 FGS90WV-20Cr Mn Ti 焊缝强韧性匹配试验时，选用适度低强焊接材料进行焊缝强度匹配方式设计，可达到焊缝强度“等强”或“超强”的要求[27]。 
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第 2 章  高强钢低匹配接头的静载等承载设计 

2.1  引言 
根据高强钢低匹配接头的静载等承载设计思想与实现条件，在无焊接残余应力下，进行高强钢低匹配接头的静载等承载设计和静载承载能力的验证。
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2.2  母材及焊材力学性能 

考虑到拉伸过程中构件的截面面积会发生变化，在进行有限元分析时，焊材与母材的名义应力应变材料属性需要转换为真应力真应变材料属性，故在静载结果分析过程中均对应材料的真应力-真应变值。按照式（2-1）至式（2-4）进行数据处理，得到母材与焊材的真应力应变曲线，见图 2-1。10Cr Ni3Mo V 母材的名义屈服强度、抗拉强度、断裂应力分别为662、718、470 MPa，转化真实屈服强度、抗拉强度、断裂应力分别为 703、820、1679 MPa；J422 焊条的名义屈服强度、抗拉强度、断裂应力分别为 378、484、362 MPa，转化真实的屈服强度、抗拉强度、断裂应力分别为 393、608、965 MPa。10Cr Ni3Mo V 母材与 J422 焊条的名义屈服强度匹配比为 0.571，名义抗拉强度匹配比为 0.674，10Cr Ni3Mo V 母材与 J422 焊条力学性能参数对比见表 2-1。 为使低匹配接头具有足够的强度和塑性变形能力，其静载 ELCC 结构的设计思想是以全面屈服断裂模式类型为静载承载能力评定标准。接头强度应十分接近或达到母材抗拉强度，断裂时母材内的等效塑性应变峰值应先于低强焊缝达到其颈缩真应变，而且断裂位置应位于母材而非低强焊缝。 

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第 3 章  焊接过程的有限元分析 ........ 19 
3.1  引言 ........ 19 
3.2  焊接热源模型 ...... 19 
3.3  焊接模型的建立 ......... 20 
3.3.1  网格划分 ........ 20 
3.3.2  材料特性 ........ 21 
3.3.3  焊接参数 ........ 21 
3.4  焊后残余应力分析 ..... 22 
3.5  本章小结 ....... 25 
第 4 章  焊接残余应力对静载强度的影响 ...... 26 
4.1  引言 ........ 26 
4.2  焊后拉伸过程模型的建立 ....... 26 
4.3  焊后拉伸过程中等匹配接头应力均匀化的考察 ...... 27 
4.4  焊后拉伸过程中低匹配接头应力均匀化的考察 ...... 32
4.4.1  横向加载低匹配接头应力均匀化的考察 ..... 33 
4.4.2  纵向加载低匹配接头应力均匀化的考察 ..... 35 
4.5  本章小结 ....... 38 
第 5 章  残余应力对低匹配 ELCC 静载强度的影响 .... 40 
5.1  引言 ........ 40 
5.2  焊后拉伸过程中低匹配 ELCC 接头应力均匀化的考察 ........ 40 
5.2.1  横向加载低匹配 ELCC 接头应力均匀化的考察 ....... 41 
5.2.2  纵向加载低匹配 ELCC 接头应力均匀化的考察 ....... 43 
5.3  本章小结 ....... 47 

第 5 章  残余应力对低匹配 ELCC 静载强度的影响 

5.1  引言 
前述低匹配静载等承载设计接头是在未考虑残余应力的前提下设计和验证的，本章将考察残余应力对其静载承载能力的影响，进而分析其承载特点和承载优势。焊缝、母材的焊接残余应力峰值均达到各自材料的屈服强度值，故低匹配静载 ELCC 接头焊接残余应力峰值仅位于近焊缝的母材区。无残余应力接头横向、纵向拉伸下等效峰值应力（826.6、820.9 MPa）与平均载荷应力（820 MPa）差值分别为 0.6、0.9  MPa，应力基本得到调匀。有残余应力接头横向、纵向拉伸临近失效时，母材区等效峰值应力（885.8、897.8  MPa）与平均载荷的应力（820MPa）差值分别为  65.8、77.8 MPa，较低匹配普通接头焊接残余应力均匀化程度的差异分别减小 113.1、108.1  MPa，较等匹配普通接头焊接残余应力均匀化程度的差异分别减小 158.2、122.2 MPa，应力调匀情况得到明显的改善。垂直焊缝的中截面和端面上距离焊缝中心不同距离的板中性面上节点随横向加载的应力变化，如图 5-2。距横轴 1.0 mm 位置为焊根坡口轮廓线，距横轴14.3 mm 范围内为盖面焊道下方对应的位置。 随横向载荷增加中截面和端面在板中性面上节点横向应力的调匀过程，如图 5-2a)、图 5-2b)，中截面和端面由母材区至焊缝区初始残余应力分别是 0 MPa至 36 MPa 和 0 MPa 至-556 MPa。在 0-600 MPa 载荷区间段，中截面焊缝及近焊缝区域（盖面焊道下方）横向应力增加的幅度值小于施加载荷值，而远端母材区横向应力随施加的载荷值同幅度逐渐增加，在 600-720  MPa 载荷区间段，焊缝区迅速超过其屈服应力（393 MPa）而增加，近焊缝母材区域未达到其屈服强度值（703 MPa），远离焊缝的母材达到其屈服强度，应力的增加幅度值变缓慢，在 720-820  MPa 载荷区间段远端母材区又随载荷同幅度增加，焊缝及近焊缝区横向应力缓慢增加，最终中截面在近焊根母材区域出现应力峰值为 942  MPa，与平均载荷的应力（820 MPa）差值为 122 MPa；在 0-680 MPa 载荷区间段，端面焊缝及近焊缝区域增加的幅度值逐渐增大，母材区横向应力近同幅度增加，当载荷为 680 MPa 时，焊缝区由横向压应力逐渐变为拉应力，随后焊缝及附近区域横向应力又迅速超过屈服应力而增加，母材区横向应力增加幅度值逐渐变缓慢，最终端面在近焊缝母材区出现的应力峰值为 1521 MPa，与平均载荷的应力（820 MPa）差值为 701 MPa。 
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结论 

（1）随横向拉伸载荷增加，高强钢等匹配和低等匹配对接接头力学行为表现为，远端母材区等效应力逐渐增加，而焊缝及近缝母材区应力在各自屈服强度的基础上先降低（中截面等匹配和低匹配接头在 0-200  MPa 载荷阶段降低幅度分别为 38、18 MPa），后增加（中截面等匹配和低匹配接头在 200 MPa 至临近失效载荷阶段增加幅度分别为 270、302  MPa）。拉伸过程中虽然焊缝、近缝母材区应力与远端母材区应力差别逐渐减小，但始终存在明显差别，等匹配和低匹配接头达到各自临近失效（820、720 MPa）时，峰值应力（1044、898.9 MPa）与平均载荷的应力差值分别为 224、178.9 MPa。即横向拉伸条件下接头的焊接残余应力未能实现完全调匀。  
（2）随纵向拉伸载荷增加，高强钢等匹配和低匹配接头力学行为表现为，焊缝及近缝母材区等效应力在各自屈服强度的基础上增加，但增速较远端母材区缓慢（中截面等匹配和低匹配接头在 200-600  MPa 载荷阶段焊缝区增加幅度分别为 2、45  MPa，母材区增加幅度分别为 459、462  MPa），拉伸过程中各区应力差别逐渐减小，但近焊缝母材区应力始终明显高于远端母材区，等匹配和低匹配接头达到各自临近失效（820、720 MPa）时，峰值应力（1020、905.9 MPa）与平均载荷的应力差值分别为 200、185.9 MPa。即纵向拉伸载荷下接头的焊接残余应力也不能实现完全调匀。 
（3）从等匹配和低匹配普通对接接头等效应力调匀幅度的对比得出，几何应力集中、材料性能、残余应力单独对应力均匀化的影响分别为 23.9、45.1 和200.1  MPa，故几何应力集中、材料性能、残余应力对应力均匀化的影响程度逐渐增大。 
（4）与以往 ELCC 设计方案相比，提出单个圆弧曲线过渡的低匹配静载ELCC 设计方案的盖面焊道面积小，节省焊材，在无残余应力作用下，经验证对接接头和十字接头均满足静载等承载能力要求。有残余应力的低匹配静载ELCC 设计对接接头横向、纵向拉伸至临近失效载荷（820 MPa）过程，其应力调匀过程与低匹配普通接头相类似，最终近缝母材区等效峰值应力（885.8、897.8 MPa）与平均载荷应力（820 MPa）差值分别为  65.8、77.8 MPa，较低匹配普通接头等效应力调匀程度减小 113.1、108.1  MPa，较等匹配接头等效应力调匀程度减小 158.2、122.2  MPa。故低匹配静载 ELCC 设计对接接头残余应力的均匀化程度得到明显的改善。 
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参考文献(略)

本文编号：174877