一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法技术

一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，采用漏斗试样进行，漏斗试样的工作段由弧形段和平行段两部分构成；将待测试焊接接头的微区中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区，然后采用应变集中的弹塑性有限元分析得到的塑性区局部应变，评估焊缝微区的低周疲劳性能。相比传统的光滑试样，采用漏斗试样进行焊接微区疲劳性能的测试，可使疲劳试样最终断裂在需测量的焊接接头微区，测得的疲劳性能全部为该焊接微区的疲劳性能，而不是接头中强度最低区域的疲劳性能。对于低周疲劳，采用塑性区应变作为局部应变来评估漏斗试样的低周疲劳性能，比采用热点应变和危险截面应变评估更可靠，且比临界距离法计算简便。

A low cycle fatigue performance evaluation method for welded joints

【技术实现步骤摘要】
一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法
本专利技术属于焊接
，具体涉及一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法。
技术介绍
焊接结构由于加工方便、重量轻、能达到冶金结合等优点在压力容器、轨道车辆、航空航天、大型装备等制造行业得到了广泛应用，也经常应用于长期承受动态载荷的场合，因此对焊接结构的疲劳性能进行准确地评价十分重要。焊接接头的疲劳评定通常采用传统的光滑试样，通过名义应力应变法或局部应力应变法来评估接头的整体疲劳性能，但传统试样只能测试焊接接头中最薄弱区域的疲劳性能，不能测试接头中某个特定微区的疲劳性能，不便于了解整个接头各微区的疲劳性能。因此从测试焊接接头微区疲劳性能的角度出发，使用漏斗试样以确保测得的疲劳性能为需测试微区的疲劳结果是十分必要的。测试焊接接头疲劳性能时，通常基于引伸计测量的标距段内的平均应变，即全局应变，这与实际断裂区域的局部应变有偏差。由于疲劳过程中，断裂区域附近的局部应变对疲劳寿命起决定性作用，因此应采用局部应力应变法得到的结果较准确。目前常用的局部法疲劳失效准则有热点应力法、缺口应力强度因子法、等效应力强度因子法和临界距离法等。但局部应变的测量较困难，精确度有待提高，且局部应变的测量范围对结果有较大的影响。有限元法可获得试样上所有区域的应力应变值，适用于局部应力应变的计算。因此，从准确评估焊接接头微区疲劳性能的角度出发，使用弹塑性有限元法计算漏斗试样的应变集中情况，开发一种适用于焊接接头微区低周疲劳评价方法是必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对由于焊接接头存在力学性能不均匀性且接头微区尺寸较小，导致疲劳测试时断裂位置难以确定的问题，提供一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，以解决焊接接头疲劳测试断裂位置不确定和应变寿命曲线不准确的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，采用漏斗试样进行，漏斗试样的工作段由弧形段和平行段两部分构成；将待测试焊接接头的微区中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区，然后采用应变集中有限元分析得到的塑性区局部应变，评估焊缝微区的低周疲劳性能。本专利技术进一步的改进在于，具体过程如下：1)确定待测试的焊接接头微区：试样加工时将待测试的焊接接头微区的中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，确保疲劳试样最终断裂在待测试微区；2)进行漏斗试样的低周疲劳试验：在待测试微区采用引伸计测量全局应变，将测量的全局应变作为低周疲劳试验的控制参量，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命；3)使用焊接接头各微区的弹塑性参数进行不同全局应变下的漏斗试样的应力应变集中的有限元计算，得到不同全局应变下的塑性区局部应变；4)根据步骤2)得到的不同全局应变水平下的疲劳寿命与步骤3)得到的不同全局应变下的塑性区局部应变，采用有限元分析得到的塑性区应变评估焊缝微区的低周疲劳性能。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，计算时，有限元模型为疲劳试样的标距段，固定模型左端，给模型右端施加位移，位移大小为应变量乘以标距长度。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，有限元计算网格大小能够保证进一步减小网格后局部应变不再变化。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，漏斗试样的网格全局尺寸不大于0.10mm，弧形处进行网格细化，弧形处的最小网格尺寸不大于0.05mm。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，母材和焊缝的弹塑性参数由拉伸试验得到，热影响区的弹塑性参数由母材和焊缝的参数插值得到。本专利技术进一步的改进在于，对于4mm厚的TC4钛合金激光焊接头的板状漏斗试样，弧形段半径为0.5mm～6.0mm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术中漏斗试样的工作段包括平行段和弧形段，平行段有利于引伸计的夹持，弧形段的弧形半径合适时，避免了弧形处由于缺口太尖锐导致疲劳试样很快失效；也保证了试样断裂在弧形处，确保疲劳试样断裂在需测量的焊接接头微区部位。相比传统的光滑试样，采用漏斗试样进行焊接微区疲劳性能的测试，可使疲劳试样最终断裂在需测量的焊接接头微区，测得的疲劳性能全部为该焊接微区的疲劳性能，而不是接头中强度最低区域的疲劳性能。对于低周疲劳，采用塑性区应变作为局部应变来评估漏斗试样的低周疲劳性能，比采用热点应变和危险截面应变评估更可靠，且比临界距离法计算简便。进一步的，弧形区域不应超过标距段，否则引伸计的夹持不方便。待测试微区较窄时，弧形半径应取得较小，避免试样断在相邻微区；待测试微区较宽时，弧形半径可取大一些。焊缝与母材强度差异较大时，弧形半径应取得较小，以免弧形引起的应变集中小于微区材料力学性能差异引起的应变集中；反之弧形半径可取大一些。附图说明图1a为板状漏斗试样示意图。图1b为弧形段半径较小时的U型缺口示意图。图2为激光焊接头横截面形貌图。图3a为钛合金激光焊接头应变集中计算模型图。图3b为边界条件的施加示意图。图3c为网格图。图3d为图3c中方框处的放大图。图4a为全局应变为0.6％时钛合金激光焊接头应变集中计算的应变云图。图4b为试样棱边弧形路径上的应变分布图。图5为塑性区局部应变含义的说明图。图6为钛合金激光焊接头熔合线的低周疲劳性能。图7为钛合金母材传统试样尺寸示意图。图8a为全局应变为1.2％时钛合金母材应变集中计算的应变云图。图8b为全局应变为1.2％时钛合金母材的试样棱边路径上的应变分布图。图9为钛合金母材使用塑性区局部应变的漏斗试样与传统试样的低周疲劳性能对比。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术的一种焊接接头微区的低周疲劳性能评价方法为：采用漏斗试样进行全局应变控制的焊接接头微区的低周疲劳试验，将待测试微区中心置于漏斗试样的弧形中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区。然后用应变集中有限元分析得到的塑性区局部应变来评估焊缝微区的疲劳性能。具体过程如下：1)确定要测试的焊接接头微区：试样加工和应力应变集中的有限元计算时将该微区的中心置于漏斗试样的弧形中间位置，确保疲劳试样最终断裂在待测试微区。2)进行漏斗试样的低周疲劳试验：采用引伸计测量的全局应变作为低周疲劳试验的控制参量，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命。3)使用焊接接头各微区的弹塑性参数进行不同全局应变下的漏斗试样的应力应变集中的有限元计算，得到不同全局应变下的塑性区局部应变。4)将有限元分析得到的塑性区应变和低周疲劳试验得到的疲劳寿命用Manson-Coffin公式进行拟合，得到应变寿命曲线，完成焊缝微区的低周疲劳性能评估。相比传统的光滑试样，采用漏斗试样进行焊接微区疲劳性能的测试，可使疲劳试样最终断裂在需测量的焊接接头微区，测得的疲劳性能全部为该焊接微区的疲劳性能，而不是接头中强度最低区域的疲劳性能。本专利技术漏斗试样的工作段为弧形段和平行段本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，采用漏斗试样进行，漏斗试样的工作段由弧形段和平行段两部分构成；将待测试焊接接头的微区中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区，然后采用应变集中有限元分析得到的塑性区局部应变，评估焊缝微区的低周疲劳性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，采用漏斗试样进行，漏斗试样的工作段由弧形段和平行段两部分构成；将待测试焊接接头的微区中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，使得疲劳试样断裂在需测试的微区，然后采用应变集中有限元分析得到的塑性区局部应变，评估焊缝微区的低周疲劳性能。


2.根据权利要求1所述的一种焊接接头的低周疲劳性能评价方法，其特征在于，具体过程如下：
1)确定待测试的焊接接头微区：试样加工时将待测试的焊接接头微区的中心置于漏斗试样的弧形段中间位置，确保疲劳试样最终断裂在待测试微区；
2)进行漏斗试样的低周疲劳试验：在待测试微区采用引伸计测量全局应变，将测量的全局应变作为低周疲劳试验的控制参量，得到不同全局应变水平下的疲劳寿命；
3)使用焊接接头各微区的弹塑性参数进行不同全局应变下的漏斗试样的应力应变集中的有限元计算，得到不同全局应变下的塑性区局部应变；
4)对步骤2)得到的不同全局应变水平下的疲劳寿命与步骤3)得到的不同全局应变下的塑性区局部应变进行应变寿命曲线的拟合，完成对焊缝微区低周疲劳性能的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建勋，徐甄真，白嘉瑜，孙品品，牛靖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61