接焊縫接觸面的疲勞分析研究

1、有限元分析 班級(jí) 材控B111班 姓名 侯晨彤 學(xué)號(hào) 201102034108 基于A(yíng)NSYS對(duì)接焊縫接觸面的疲勞分析研究（華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè) 河北省三河市燕郊鎮(zhèn) 郵編：065201） 摘要：EH36鋼的疲勞性能對(duì)接焊縫接觸面沖刷過(guò)程的超長(zhǎng)壽命的校核，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，108010年期間仍然可能發(fā)生疲勞斷裂，與常規(guī)方法使用不兼容的疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于1 107年周期設(shè)計(jì)中，需要焊接結(jié)構(gòu)能在超長(zhǎng)壽命服役制度。掃描電子顯微鏡分析表明,疲勞裂紋主要發(fā)起于接焊縫的坡口接觸面的內(nèi)部缺陷。一種新的“魚(yú)眼”缺陷在焊接接頭中被發(fā)現(xiàn)。對(duì)接焊縫接觸面中的區(qū)域缺陷與其疲勞壽命的關(guān)系已經(jīng)被證實(shí)。

2、當(dāng)缺陷尺寸足夠大且數(shù)量較多時(shí)，將嚴(yán)重降低焊接接頭的疲勞性能。夾雜對(duì)合金焊接接頭疲勞性能也有嚴(yán)重的影響。 關(guān)鍵詞：焊接；缺陷；疲勞；裂紋。1.介紹 近年來(lái)越來(lái)越多的的構(gòu)件采用焊接而成，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)此焊接結(jié)構(gòu)的破壞多是從焊接接頭處開(kāi)始的，這主要是由于在焊接接頭處存在氣孔、未焊透以及裂紋等集合缺陷，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中，從而降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命。因此研究焊接接頭處的疲勞表現(xiàn)以及分析影響焊接接頭性能的因素具有重要意義。 如果完全采用工藝試驗(yàn)的方法進(jìn)行這方面的研究，研究成本會(huì)很高而且周期也長(zhǎng)，不利于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析軟件在工程中得到了廣泛地應(yīng)用。本題采用ANSYS

3、軟件來(lái)模擬焊接缺陷，進(jìn)行平疲勞方面的分析。將有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明有限元計(jì)算結(jié)果是合理的，因此可以采用ANSYS對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析。2.1 焊縫接觸面夾雜缺陷有限元分析基本理論焊接熱作用貫穿整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中，焊接熱過(guò)程直接決定了接頭的顯微組織焊接應(yīng)力與變形，而焊接接頭的顯微組織卻影響著接頭的疲勞強(qiáng)度壽命。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的快速發(fā)展，采用有限元法通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)焊接區(qū)拘束應(yīng)力的瞬時(shí)分布進(jìn)行了研究，同時(shí)結(jié)合裂紋和組織觀(guān)察來(lái)進(jìn)行全面分析，可以深入研究各種因素對(duì)焊接裂紋起裂和擴(kuò)展的影響。本研究通過(guò)有限元分析軟件，利用其熱耦合、結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)非線(xiàn)性分析功能，采用高斯熱源

4、模型，對(duì)高強(qiáng)鋼：氣體保護(hù)焊的三維焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)流、熱源載荷的影響，應(yīng)用單元?jiǎng)澐郑鎸?shí)模擬了厚板層、道焊的工藝過(guò)程，在理論和仿真基礎(chǔ)上對(duì)焊接熱裂紋進(jìn)行了分析。并對(duì)焊接熱裂紋的消除和防止進(jìn)行了仿真分析。接接頭上截取的，焊縫位于試樣中心其中，焊接方法采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊絲采用SQJ 501無(wú)余高焊接接頭試樣是從EH36鋼平板對(duì)接焊，EH36鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表17和表27根據(jù)超聲變幅桿原理8設(shè)計(jì)試件，試件的取樣及尺寸如 表1 EH36鋼的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Nb)w(Ti)w(Ni) 0.180.1

5、00.500.901.600.040.040.020.0150.0500.020.40 表2 EH36鋼的力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度Rm/ MPa 屈服強(qiáng)度Re/ MPa沖擊吸收功Ak/ J(40,) 伸長(zhǎng)率A/%49062035534 212.2 斷裂位置及斷口形貌 在掃描電子顯微鏡下分析試樣斷口可以觀(guān)察到斷裂在接頭處的斷口凹凸不平，而斷裂在母材的斷口比較平整，如圖所示這是由于接頭處的缺陷較多，含氫量較母材高(見(jiàn)圖)，組織不均勻，而母材的組織比較均勻，斷面比較齊平 在高應(yīng)力作用下的疲勞斷裂紋3.1 疲勞試驗(yàn)方法 試驗(yàn)前將試樣打磨光滑，試驗(yàn)在自制的TJU-HJ-I型超聲疲勞試驗(yàn)裝置上進(jìn)行施加載荷為軸向

6、拉-壓對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷，應(yīng)力比R-1，頻率約為20,kHz，在室溫下進(jìn)行，用循環(huán)水冷卻的方式控制時(shí)間升溫。3.2從編寫(xiě)了標(biāo)本的對(duì)接焊縫地面 ush與 EH36 鋼和焊接的伴侶-基本材料板對(duì)接接頭rial SQJ501。EH36 鋼是含碳量低產(chǎn)量鋼，它約 400 MPa 的強(qiáng)度。為了避免應(yīng)力集中造成的焊縫斷裂，以確保不同位置的焊接接頭是在相同的應(yīng)激水平在疲勞測(cè)試時(shí)，疲勞指標(biāo)-imens 在設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)的常數(shù)部分和焊縫是位于中部的標(biāo)本。保本已經(jīng)被精細(xì)加工，所有的疲勞試驗(yàn)都是在恒幅載荷下進(jìn)行的，疲勞試驗(yàn)采用了超生疲勞實(shí)驗(yàn)設(shè)備TJU-HJ-III風(fēng)格，該標(biāo)本是水冷處理。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果這兩個(gè)S-N曲線(xiàn)不斷下降

7、的疲勞壽命對(duì)接焊縫磨平短于材。真正的壓裂紋仍然可以發(fā)生在基礎(chǔ)材料和焊在1 107運(yùn)疲勞極限不存在概念描述。這是疲勞斷裂仍可能發(fā)生在低應(yīng)力水平只要周期長(zhǎng)足夠了。顯然,這是危險(xiǎn)的應(yīng)用下的疲勞極限1 107年周期的條件設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)壽命。,如表1所示。基材之后急劇下降的疲勞強(qiáng)度，疲勞裂紋源骨折標(biāo)本的時(shí)間間隔圖3所示。所有的來(lái)自微小的裂紋來(lái)源劃痕在試樣表面是否基材或焊接關(guān)節(jié)。雖然焊接接頭更大的內(nèi)部缺陷,他們?nèi)匀徊荒艹蔀榱鸭y源(見(jiàn)圖3),這表明缺陷對(duì)疲勞壽命影響甚微的高應(yīng)力范圍。此外,S-N曲線(xiàn)中表現(xiàn)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)107年和10年的周期，基材和對(duì)接焊縫地面沖洗更大。疲勞裂紋標(biāo)本來(lái)源在這個(gè)間隙。所有的裂紋

8、源來(lái)自?xún)?nèi)部缺陷,而不是小表面劃痕。與此同時(shí),與對(duì)接焊縫的疲勞強(qiáng)度接觸面沖洗后的基材相比迅速下降了108年使用年限。這是因?yàn)橛性S多大的焊接缺陷,這意味著內(nèi)部缺陷在疲勞強(qiáng)度的影響上發(fā)揮主導(dǎo)作用，尤其在108個(gè)周期后逐步體現(xiàn)。，4.1包含雜渣缺陷的對(duì)接焊縫接觸面的疲勞分析計(jì)算圖1為帶有夾雜缺陷的拉拔試樣有限元模型（取包含夾雜缺陷的拉拔試樣的1/2作為分析對(duì)象），加載后邊界條件后的有限元模型如所示。 圖1為帶有夾雜缺陷的拉拔試樣有限元模型圖2加載后邊界條件后的有限元模型在靜力破壞的斷口上，通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征；而在疲勞破壞的斷口上，總是呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒狀或纖維狀

9、。因?yàn)槠谄茐臅r(shí)，首先在某一點(diǎn)（通常接近構(gòu)件表面）產(chǎn)生微小的裂紋，其起點(diǎn)叫疲勞源，而裂紋從疲勞源開(kāi)始，逐漸向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變形，裂開(kāi)的兩個(gè)面時(shí)而擠緊，時(shí)而松開(kāi)，這樣反復(fù)摩擦，形成一個(gè)平滑區(qū)域。在交變載荷繼續(xù)作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，承載面積逐漸減少，當(dāng)減少到材料或構(gòu)件的靜強(qiáng)度不足時(shí)，就會(huì)在某一載荷作用下突然斷裂，其斷裂面呈粗粒狀或纖維狀。ANSYS 可以針對(duì)整個(gè)模型，也可以針對(duì)一組單元進(jìn)行疲勞分析?？煞奖愕貙?duì)整個(gè)模型或者選擇的區(qū)域進(jìn)行再設(shè)計(jì)和假設(shè)分析，從而觀(guān)察從非關(guān)鍵區(qū)域去掉金屬材料的效果，以及增加熱點(diǎn)位置的疲勞壽命。 ANSYS 可考慮構(gòu)件表面光潔度影響、幾何外形變化與缺口敏感性影響以及材料

10、特性變化效應(yīng)和不同載荷組合歷史的影響。不同的材料數(shù)據(jù)和應(yīng)力集中系數(shù)可以用于每一個(gè)單元組（允許在同一個(gè)部件上加工面和鍛造面）。 ANSYS FE-SAFE可進(jìn)行疲勞失效率的統(tǒng)計(jì)分析。 圖3為 加載后應(yīng)力幅值分布的關(guān)系圖 圖4為 Mises應(yīng)力等值線(xiàn)的生成結(jié)果 圖5為各單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分量的結(jié)果4.2結(jié)論察裂紋源可以發(fā)現(xiàn)，裂紋源大多處于表面的機(jī)械加工微痕和次表面的缺陷處。缺陷周?chē)膽?yīng)力狀態(tài)不同尺寸和中心-通過(guò)數(shù)值模擬。試樣的幾何特征主要取決于工件形狀和缺陷尺寸，影響區(qū)與焊縫的不同，粗糲的硬度值對(duì)熱影響區(qū)有很大的提升，因此，融合線(xiàn)的兩側(cè)的強(qiáng)度是不同的，斷裂表面疲勞失效分析需要通過(guò)掃描電鏡標(biāo)本檢查，裂紋

11、源地方常伴有各種缺陷，有限元來(lái)分析用來(lái)分析對(duì)接焊縫的應(yīng)力分布，在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶體被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂“液態(tài)薄膜”，此時(shí)由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，這時(shí)焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個(gè)薄弱地帶開(kāi)裂而形成結(jié)晶裂紋（見(jiàn)圖）。碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼中的磷、硅、鎳和不銹鋼、耐熱鋼中的硫、磷、硼、鋯等也都能形成低熔點(diǎn)共晶，而且不同元素所形成的低熔點(diǎn)共晶它們的共晶溫度各不相同。總的來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和焊縫凝固過(guò)程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。1. 對(duì)兩種厚度的35CrMnSi鋼平板電子束焊接接頭的顯微組織進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：經(jīng)電子束焊接后，兩板焊縫組織均為粗大針狀馬氏體和少量殘余奧氏體，熱影響區(qū)組織由板條馬氏體、貝氏體和少量殘余奧氏體組成，母材組織為鐵素體加珠光體組織。 2. 兩種厚度鋼板電子束焊接接頭各區(qū)域硬度值基本一致，且焊縫硬度高于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)硬度高于母材。兩種厚度35CrMnSi鋼電子束焊接接頭拉伸試驗(yàn)的結(jié)果表明：該鋼焊接接頭塑性與母材相比較低，該鋼焊接接頭強(qiáng)度比較得出，2mm接