Lamb波在对接焊缝中的传播特性及影响因素

许多承压类特种设备事故都源于焊接缺陷,焊接质量的好坏直接影响产品使用的安全可靠性.利用超声Lamb波快速扫查的特点可对焊接质量进行有效评估.针对Lamb波在焊缝中的传播特性分析,建立对接焊缝的三维有限元仿真模型,采用焊缝端部(板侧)激励的方式进行数值仿真研究,解释了Lamb波在对接焊缝中的能量束缚和能量衰减现象,并分析了对接焊缝余高、焊缝宽度及杨氏模量变化对Lamb波传播规律的影响.试验研究验证了上述有限元仿真计算结果的正确性,为对接焊缝的质量评估提供了一种参考方法.     

基于相关分析的对接接头缺口应力集中系数不确定性研究

针对对接接头焊缝形状变化引起的缺口应力集中系数不确定性问题，基于参数化有限元分析和相关性分析进行研究。焊缝几何形状的不确定性由引入控制点的几何变化进行模拟，并基于仿真实验生成的大量测试数据样本计算控制点间的相关性，通过蒙特卡洛模拟获得大量随机焊缝数据。在缺口应力法基础上，使用ANSYS进行参数化建模，建立引入焊缝形状不确定性的对接接头有限元模型，对对接接头焊趾处的缺口应力集中系数进行研究，得到不同缺陷等级下的分布规律，总结了焊缝形状不确定性对缺口应力集中系数的影响。在此基础上，基于得到的大量实验数据建立焊缝几何参数的一阶响应面模型。结果表明：缺口应力集中系数与焊趾倾角及焊缝高度呈正相关，与焊缝宽度呈负相关，其中，焊趾倾角的影响最大，焊缝高度的影响最小。     

纵隔板对钢桥面板构造细节疲劳应力的影响

为研究斜拉桥纵隔板对钢桥面板构造细节疲劳应力的影响,基于子模型方法分别建立了钢桥面板和顶板与U肋焊缝、横隔板与U肋焊缝以及U肋对接焊缝的有限元模型,分析不同构造细节的应力特征,确定横桥向最不利加载工况。在最不利工况下提取各关注点处应力时程,采用Goodman公式计算等效应力幅,以等效应力幅来衡量各构造细节处的疲劳性能。针对设置纵隔板影响较大的构造细节,分析设置纵隔板横桥向影响范围。研究结果表明:斜拉桥钢箱梁纵隔板构造增大了横隔板与U肋焊缝的等效应力幅,降低了其疲劳性能,而对顶板与U肋焊缝疲劳受力的影响可以忽略不计,对于与纵隔板相邻的两根U肋对接焊缝,设置纵隔板能够有效改善对接焊缝疲劳区域的受力性能。     

焊缝特征导波模态的分析与应用

为满足焊缝快速高效无损检测需要,并提高超声导波对焊缝缺陷的灵敏度,研究高频下的焊缝导波模态尤为重要。基于COMSOL软件建立了二维对接焊缝半解析有限元模型,通过数值模拟与分析发现,频率大于300 kHz时焊缝中SH_(w1)模态几乎无频散、泄露小,适合于长距离快速焊缝检测。通过试验验证了SH_(w1)模态导波在对接焊缝中的传播特性,确定了最佳激励频率范围为320~360 kHz;并对焊缝中直径为3 mm的预置孔洞缺陷实现了检测,定位精度高于2.5%。     

7075-T6铝合金薄板激光对接焊温度场与残余应力分布

为了研究铝合金薄板激光对接焊温度场与残余应力分布,推导了考虑焊接深度的热流密度分布的修正函数.利用生死单元技术,运用ABAQUS软件、FORTRAN和PYTHON语言编写的子程序,建立了7075-T6铝合金薄板激光对接焊的有限元模型,获得了在不同时间点的对接焊温度场和残余应力分布,采用梯度网络提高了有限元模型的运算速度和计算精度.研究结果表明:建立的有限元模型能够快速、有效模拟铝合金薄板激光对接焊温度场和残余应力分布;残余应力存在误差的原因,可能在于激光焊接过程中,热源经过横截面时产生的剪切挠曲所致.试验结果同时也验证了有限元模型的正确性和可行性.     

钢桥面板U肋对接焊缝位置对疲劳受力性能的影响分析

从疲劳受力特征角度分析钢桥面板U肋对接焊缝设置位置的合理性.建立正交异性钢桥面板局部有限元模型,施加移动车轮荷载,确定U肋对接焊缝位置对该细节作用范围的影响,计算U肋对接焊缝上典型部位的纵向应力分布、横向应力幅变化,对比不同U肋对接焊缝位置下的疲劳应力特征.结果表明:不同U肋对接焊缝位置的影响范围一致,但疲劳应力特征显著不同:当U肋对接焊缝与横隔板之间距离的增加时,应力幅增加,且拉应力作用范围明显扩大,同时应力比发生了显著的改变.U肋对接焊缝布置在靠近横隔板一定范围内时,其抗疲劳性能相对于布置在两横隔板中间位置时更好.     

基于结构应力法的对接焊缝应力集中效应研究

为探明对接焊缝应力集中的几何影响因素,基于结构应力法建立有限元模型分析过渡半径、焊缝余高、焊缝宽度、板厚等参数变化对焊趾截面应力集中的影响,并在此基础上对不同结构形式的对接焊缝不等厚（宽）板的影响因素进行分析.结果表明：增大圆弧过渡半径,可以减小焊趾处的应力集中系数,过渡半径从0 mm变化到6 mm,应力集中系数降幅可达15.8%;随着余高的增加应力集中系数增大,在不设圆弧过渡,焊缝余高从0 mm变化到6 mm时结构应力集中系数增长28.6%,并且余高的存在扩大了板厚对应力集中的影响;焊缝宽度对对接焊缝应力集中的影响较小,随着焊缝宽度的增加,应力集中系数波动幅度在2.3%内;不等厚板对接时,坡度1∶4与等厚板的应力集中系数相差最大为90.5%;不等宽板对接时,坡度1∶4与等宽板的应力集中系数相差最大为5%.     

铸钢节点环形对接焊缝的疲劳计算

给出了采用热点应力法进行铸钢节点环形对接焊缝疲劳寿命估算的全过程.介绍了热点应力幅度的计算方法,即热点应力幅度的计算可根据名义应力和应力集中系数计算,也可采用有限元方法计算.给出了环形对接焊缝热点应力寿命曲线的表示方法和细节分类,列出了各种焊接细节的S-N(应力-寿命)曲线.介绍了线性Miner损伤累积准则.根据热点应力幅度、S-N曲线和线性Miner损伤累积准则,可对铸钢节点环形对接焊缝进行寿命估算.最后,以杭州湾跨海大桥海中平台观光塔铸钢节点为例,说明了波浪载荷下铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算过程.     

视觉传感机器人焊缝跟踪系统

利用环形激光扫描传感器,建立了一种用于焊缝定位与焊缝跟踪的孤焊机器人视觉传感系统,基于图像分割、特征提取和三维计算等技术,实现了待焊工件形状位置信息的三维数值计算,并以对接焊缝和斜坡焊缝为对象进行了焊缝定位和焊缝跟踪试验.结果表明,提出的弧焊机器人视觉系统能够实时获得被焊工件的形位信息,实现焊缝的实时定位与跟踪.     

应力-强度干涉理论在对接焊缝中的应用

针对钢桥承载能力是否满足实际需求的问题,提出了一种将应力-强度干涉理论应用于钢桥对接焊缝数值分析的方法.对钢桥整体结构进行静力学分析,得到了钢桥主梁不同位置的应力状态;通过应力-强度干涉理论分析静载条件下对接焊缝的可靠性;以Q345钢对接焊缝为例,验证了提出方法的可行性,分析了含有残余应力的对接焊缝的可靠性.分析结果表明,在钢桥焊缝没有消除残余应力时,焊缝可靠性显著降低.     

齿轮激光深熔焊接的研究

本文采用高功率CO_2激光焊接组合齿轮;研究了激光焊缝质量与激光焊接工艺参数的关系;采用金相显微镜和扫描电镜观察分析了齿轮激光焊缝区的微观结构;测量了焊缝区的显微硬度分布.文中对齿轮激光焊缝区的缺陷(如裂纹、气孔等)作了较详细的研究,并对激光焊接试样作了拉伸和弯曲试验.     

钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝多轴疲劳特征

为了研究U肋对接焊缝多轴疲劳特征,建立了钢桥面板节段模型与对接焊缝子模型,得出不同工况下对接焊缝上各关注点的应力状态。通过平板模型的单、多轴疲劳应力对比,提出了采用绝对值最大的主应力与主要应力分量的偏差作为评判多轴疲劳的依据。然后对U肋对接焊缝进行了受力分析与变形分析,并对比了影响该细节多轴疲劳的主要因素。研究结果表明:纵桥向正应力、截面弯曲剪应力和顶板厚度方向正应力的量值较大,是引起对接焊缝多轴疲劳开裂的重要原因;U肋弯曲应力占膜应力的比例很小,对接焊缝多轴疲劳开裂主要由面内变形引起;多轴疲劳效应随荷载中心线偏离U肋对称轴越发显著,单轴疲劳仅为荷载中心线与U肋对称轴重合时,在U肋对称中心点产生的瞬时效应。     

补焊位置对S355J2W对接接头残余应力分布影响

为研究不同补焊位置下的焊接残余应力的分布规律,本文运用SYSWELD软件,以S355J2W钢为例,建立平板对接接头焊缝不同部位补焊的有限元模型,分别针对焊缝中心补焊和热影响区补焊残余应力场进行数值模拟,绘制分析曲线研究焊接残余应力大小及变化规律.结果表明:补焊使得焊缝中心及热影响区处残余应力有不同程度的增加;但在远离热影响区的母材处,影响效果不明显.通过对比分析,得出补焊后残余应力分布规律,为实际补焊修补提供理论依据.     

Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接数值模拟

利用有限元方法,对Fe-Mn-Si记忆合金平板激光对接焊的温度场和应力场进行三维数值模拟。根据激光焊接特点,建立表面高斯热源和锥形体热源结合的复合热源模型,并编制APDL子程序实现焊接热源的加载和移动。结合材料非线性、相变潜热、边界换热条件等因素,通过模拟计算得到焊接过程中瞬态温度场分布和熔池尺寸,并分析整体温度场分布、焊接热循环特性。焊缝熔合线和尺寸的模拟结果与实际结果吻合良好,验证了模型的正确性。在温度场计算结果基础上,利用间接耦合法,对Fe-Mn-Si记忆合金激光焊的动态应力场和残余应力进行模拟计算,得到焊后最大残余应力为247 MPa,接近其屈服强度。     

激光-MIG复合热源钢/铝异种金属深熔钎焊

采用激光-MIG(Melt Inert-Gas)电弧复合热源实现了4和6 mm厚的钢/铝异种金属对接接头深熔钎焊,并利用扫描电子显微镜观察力接头界面微观组织特征.通过有限元软件分析电弧熔钎焊、激光熔钎焊、激光-MIG复合深熔钎焊三种焊接方法所获接头温度场,同时分析了激光偏转角度对激光-MIG复合深熔钎焊接头温度分布的影响.结果表明,激光-MIG复合深熔钎焊接头温度分布相较于电弧、激光熔钎焊而言较为均匀,接头下部的温度得到明显的提高,可有效增加液态金属在钢表面的润湿铺展程度,有利于获得较为良好的焊缝成形.在激光-MIG复合深熔钎焊过程中,可以通过调整激光偏转角度提高接头界面下部温度,改善界面温度梯度,有利于生成均匀的金属间化合物层.4 mm厚钢/铝激光-MIG复合深熔钎焊焊接接头有着典型的熔钎焊特征,成型质量良好且无明显缺陷生成.界面层化合物为Fe4Al13和Al8Fe2Si,焊缝由α-Al和Al-Si共晶相组成.激光-MIG复合深熔钎焊可实现6 mm对接接头连接,但界面处存在微裂纹.     

小波分析在弧焊机器人视觉检测中的应用

针对弧焊机器人薄板对接、搭接焊缝的自动焊接问题,将小波分析应用在CCD直接获取的焊缝图像的处理中,用来提取焊缝轨迹.根据薄板的对接和搭接焊缝图像的特点,建立了斜坡型及梯形小波分析模型,通过对模型的多尺度小波变换和李氏指数的分析,可以区分焊缝的边缘类型,从而增强了焊缝轨迹提取方法的抗干扰性和适应性,也为弧焊机器人的自动化和智能化焊接提供一定的技术参考.     

钢-UHPC轻型组合桥面板实桥试验研究

钢-UHPC轻型组合桥面板是一种由正交异性桥面与密集配筋的UHPC薄层通过剪力钉连接而成的新型桥面结构.为研究UHPC层对钢-UHPC轻型组合桥面结构性能的影响,以枫溪大桥为工程背景,研究正交异性钢桥面常见疲劳细节在铺设UHPC层前、后的应力幅变化.首先通过整体有限元模型确定测点位置以及加载范围,然后根据加载方案分别在铺设UHPC层前后采用三轴加载车进行低速加载试验,同时采集并整理正交异性钢桥面常见疲劳细节应力响应试验数据,最后建立了节段有限元模型并与实测结果进行对比分析.试验结果表明:铺设UHPC层后,常见疲劳细节应力响应均有明显降低,其中面板上的细节(纵肋-面板焊缝、面板对接焊缝、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝面板位置)应力幅降幅比例最大,高达75%～90%;其次为纵肋上疲劳细节(纵肋底部对接焊缝、纵肋-横隔板焊缝焊缝端部位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝纵肋位置)应力降幅约为65%～80%;最后为横隔板上疲劳细节(横隔板弧形切口、横隔板弧形切口起点位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝横隔板位置)应力降幅约为20%～50%.同时,随疲劳细节与顶面距离的减小,UHPC层对细节应力降幅的贡献明显增大.有限元模型结果与实测结果吻合较好,也得出了相似的规律.本文实测结果为推广钢-UHPC轻型组合桥面的应用提供了最直接的数据参考.     

碳纤维加固钢桥面板U肋对接焊缝疲劳试验

为探究钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳开裂机理与修复加固方法,设计了2个带嵌补段的足尺单U肋试件模型,通过模型试验研究了该细节的疲劳破坏模式和实际疲劳抗力。随后,基于线弹性断裂力学方法建立碳纤维增强复合材料（CFRP）加固对接焊缝裂纹模型,通过数值模拟分别研究了CFRP布层数、CFRP布尺寸对疲劳性能的影响。最后,针对U肋对接焊缝介绍粘贴CFRP布无损修复方法和施工工艺流程,并对CFRP布粘贴修复后的裂纹试件进行疲劳测试。结果表明：U肋对接焊缝的疲劳易损点均出现在U肋圆弧过渡处,平均疲劳强度仅为59.7 MPa。经3层CFRP布修复后,不同损伤程度的焊缝疲劳强度约为未加固试件的0.8~2.6倍。粘贴CFRP布能够有效改善钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳性能,且满足实桥无损修复的需求。     

热轧H型钢焊接残余应力数值模拟

热轧H型钢是一种断面力学性能优良的经济型断面钢材,而焊接是常用的对接方式之一,因此研究不同焊缝形式下的残余应力分布,对提高钢结构的承载力有重要意义。利用ANSYS有限元软件对H型钢五种平接焊缝形式下的残余应力进行了数值模拟,得出了一些有意义的结论,为热轧H型钢的应用提供有价值的参考。     

轮迹位置对钢桥面板U肋对接焊缝疲劳性能的影响

为研究车轮行驶位置对钢桥面板U肋对接焊缝疲劳性能的影响,现以江阴长江大桥为研究对象,采用数值模拟的方法,计算了不同车辆轮迹位置作用下U肋对接焊缝处的疲劳应力幅,结合BS5400规范得到了该细节相应位置的疲劳损伤度;建立U肋对接焊缝局部模型,模拟了不同车轮位置作用下疲劳裂纹扩展路径,同时得到了各扩展阶段的裂纹扩展参数。结果表明:车轮位置与焊缝之间距离大于600 mm,可忽略车辆位置对U肋对接焊缝开裂前的疲劳损伤累计;相对于其他部位,U肋两侧弧形段疲劳损伤严重,易产生疲劳裂纹;随着车轮位置的改变,裂纹扩展路径逐渐由与焊缝平行向与焊缝垂直发展,车轮位置与焊缝之间距离大于750 mm,可忽略车辆位置对U肋对接焊缝开裂后的裂纹扩展影响。