厚钢板焊接接头CTOD断裂韧度的温度影响

大型厚壁钢结构建造中，研究温度对焊接接头断裂韧度的影响十分重要．笔者对65mm厚S355ML钢板，编制自动埋弧焊（WPS017）工艺和手工电弧焊（WPS016，WPS016A）工艺，对其焊接接头进行常温（15℃）和低温（-20℃）裂纹尖端张开位移（CTOD）评定．发现自动埋弧焊（WPS017）接头焊缝低温CTOD最小值比常温低13．9％，焊缝低温CTOD均值比常温低8．0％；热影响区CTOD断裂韧度值高于焊缝和母材，且对温度变化不敏感．手工电弧焊接头焊缝低温CTOD最小值只有常温的34．5％，焊缝低温CTOD均值只有常温的25．9％；热影响区低温CTOD断裂韧度也很低．在常温（15℃）下，自动埋弧焊焊缝CTOD值比手工电弧焊焊缝CTOD值大得多；在低温（-20℃）下，自动埋弧焊的焊缝和热影响区的CTOD值，都远远大于手工电弧焊CTOD值．     

X65管线钢焊接接头抗开裂性能及止裂性能

为了研究X65管线钢焊接接头的抗开裂性能和母材的止裂性能，对接头的金相组织进行了观察，并且进行了接头各区域裂纹尖端张开位移(CTOD)试验和母材的落锤撕裂试验(DWTT)。试验结果表明：X65钢焊接接头焊缝和母材相比，组织粗大且不均匀，其冲击韧度和断裂韧度值均明显低于母材；X65钢管材对应剪切面积为40％的温度约为 -35℃，X65钢母材的抗开裂性能明显优于焊缝，且具有良好的止裂性能。     

基于三维XFEM计算的非匹配异种接头裂纹偏转验证

现有完整性评定将异种接头分为母材、焊缝、母材3个部位,然而低匹配接头实际存在母材、热影响区(HAZ)、交界面、焊缝4个部位。以CF62(母材)-316L(焊材)组合的低匹配接头为例,对其进行结构细分,对该低匹配接头进行断裂韧度试验时,裂纹向软质焊缝区偏转。笔者建立了低匹配接头的异质材料(交界面和HAZ)扩展有限元(XFEM)模型,对裂纹的偏转现象进行数值模拟,通过对不同匹配比(M=0.3～1.0)热影响区进行扩展有限元模拟,研究不同匹配比下裂纹偏转过程和含异种界面的J积分值,分析匹配比和裂纹偏转对接头断裂韧度的影响。结果表明:低匹配接头形式可提升HAZ的断裂韧度,断裂韧度随着匹配比的增大而增大;裂纹偏转现象会影响裂纹长度的测量,裂纹发生偏转后接头的断裂韧度有所下降。     

振动焊接对焊件疲劳寿命的影响及机理分析

对机械振动焊接试板与常规埋弧自动焊接试板进行了残余应力测试、金相观察及疲劳试验 ,研究了机械振动焊接对焊件疲劳寿命的影响 .结果表明 ,机械振动焊接可降低焊接残余应力、细化焊缝和热影响区的金相组织 ,提高焊件疲劳寿命 .在本试验条件下 ,纵向残余应力降低 43% ,横向残余应力降低 2 5% ;振动焊接试样热影响区的晶粒度为 5级 ,而常规埋弧自动焊接试样热影响区的晶粒度为 3级 ;振动焊接试样的疲劳寿命提高 35% .并应用金属疲劳理论分析了振动焊接提高焊件疲劳寿命的内在本质     

X80管线钢在近中性pH溶液中的应力腐蚀开裂

采用电化学动电位扫描技术、慢应变速率拉伸(SSRT)试验和扫描电镜观察研究了X80管线钢及焊接接头在NS4溶液中的应力腐蚀行为.电化学实验结果显示,X80管线钢及焊接接头在NS4溶液中的极化曲线具有典型的活性溶解特征.SSRT试验结果表明,随着外加电位的负移,断裂时间、断面收缩率、应变量都明显变小,X80管线钢及焊接接头的应力腐蚀开裂敏感性增加,应力腐蚀断口呈现穿晶准解理特征.施加相同外加电位时,焊接接头较母材的应力腐蚀敏感性增加,其断裂位置全部落在焊缝或HAZ处.     

振动焊接对焊件疲劳寿命的影响及机理分析

对机械振动焊接试板与常规埋弧自动焊接试板进行了残余应力测试、金相观察及疲劳试验,研究了机械振动焊接对焊件疲劳寿命的影响。结果表明,机械振动焊接降低焊接残余应力、细化焊缝和热影响区的金相组织,提高焊件疲劳寿命。在本试验条件下,纵向残余应力降低43％,横向残余应力降低25％;振动焊接试样热影响区的晶粒度为5级,而常规埋弧自动焊接试样热影响区的晶粒度为3级;振动焊接试样的疲劳寿命提高35％。并应用金属疲劳理论分析了振动焊接提高焊件疲劳寿命的内在本质。     

2219铝合金VPTIG焊接头的低温断裂韧性

采用裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)试验研究了高强2219铝合金变极性钨极氩弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding,VPTIG)接头各部位的低温断裂韧性,利用扫描电镜对各部位的CTOD试验断口特征进行分析,并结合金相组织进一步阐明组织与断裂韧性的关联.研究结果表明,2219铝合金VPTIG焊接头各部位表现出不同的低温断裂韧性,熔合线最低,热影响区高于焊缝,但均低于母材.扫描电镜断口观察结果表明,母材、焊缝及热影响区的断裂机制为剪切断裂,熔合线的断裂机制为准解理断裂.金相组织分析较好地解释了焊接接头不同部位断裂韧性的差异.     

16Mn钢摩擦螺柱焊接头的微观组织与局部腐蚀

为了研究16Mn钢水下摩擦螺柱焊接头的微观组织及微区电化学腐蚀行为,采用扫描振动参比电极技术(SVET)和局部电化学阻抗谱(LEIS)对摩擦螺柱焊接头处不同区域的腐蚀电流密度及电化学阻抗进行了测试分析;采用金相显微镜和扫描电子显微镜观察了焊接接头腐蚀前后的金相组织和微观形貌;采用X射线应力测定仪测定了焊件不同区域的残余应力.结果表明:16Mn钢摩擦螺柱焊接件在焊缝区晶粒最为细小,组织最为致密;另外,焊件上的残余应力均呈现为压应力,且在焊缝处的压应力最小(-96MPa);SVET和LEIS试验结果表明,焊缝处的腐蚀电流密度最小,约为0.3μA/cm~2,局部阻抗值最大,约为169kΩ.这说明在焊件接头各区域中,焊缝处的耐腐蚀性最好,原因可能是焊缝区的微观组织比较致密,并且残余应力较小.     

结构钢厚板焊接接头CTOD断裂韧性试验与分析

依据BS7448试验标准,探讨了在低温下超大尺寸焊接接头裂纹尖端张开位移（CTOD）的试验及结果。测试了在0℃下埋弧焊工艺的大厚焊接接头焊缝金属和热影响区的CTOD断裂韧性,试验表明,试件均满足DNV标准规定的最小特征CTOD值为0.15mm的要求。试验结果为评价大尺寸焊接接头的焊后热处理规范提供了依据,95mm厚的D36钢板埋弧焊焊焊接接头可以在不进行焊后热处理的情况下使用,这对于海洋钢结构焊接来说,将大幅降低建造成本,具有巨大的经济意义。     

焊接对热轧H型钢高应变低周疲劳行为的影响

对热轧H型钢热轧和焊接后的高应变低周疲劳循环应力响应曲线、循环应力应变关系和应变寿命关系进行了分析,通过Coffin-Manson公式得到疲劳寿命计算公式,计算出Nf=100周时的循环韧度值σa·Δεt。结果表明,H型钢焊接试样的循环韧度比热轧试样的循环韧度降低38%。热轧试样表现出明显的循环稳定特性,焊接试样表现出循环软化直接断裂的应力响应特征。焊接试样的断口扫描电镜观察发现,疲劳裂纹在焊接接头的粗晶区表面处萌生,断口瞬断区具有明显的韧窝特征,表明材料焊接后保持较高的韧性。     

热影响区强度对裂纹尖端塑性区的作用

用弹塑性有限元（ANSYS软件）计算了低组配焊接接头中不同热影响区屈服强度条件下，接头裂纹尖端塑性区的形状和大小的变化。计算结果表明，热影响区屈服强度的变化对接头裂纹尖端塑性区影响规律为屈服强度的降低，塑性区增大，焊缝和母材的塑性区减少。抗断性能分析表明，热影响区强度变化导致裂纹尖端塑性区变化，从而影响热影响区和焊缝的抗断性能。     

振动调制电渣焊工艺参数与接头性能相关性

在常规电渣焊的基础上进行振动调制电渣焊试验．试验结果发现，该工艺可以大幅度提高高炉厚板焊接接头的侧弯性能和热影响区的冲击韧性值，但是焊缝的冲击韧性值却有所降低．通过相关性分析后发现：冲击韧性值与振动位移幅度的大小相关，合适的振动参数可以得到最佳的接头性能；增加振动输入的能量有利于残余应力的降低．     

ANS500超级钢板焊接接头的低温韧性

利用熔化极气体保护焊工艺对500MPa级的ANS500超级钢板进行焊接.采用系列冲击试验对接头低温韧性进行了研究.测定了一系列低温韧性值,确定了其正常使用的温度范围.用能量法并辅助断口形貌观察确定了两种焊接工艺下接头韧脆转变温度(DBTT).用1.0mm焊丝焊接时,接头各部位的韧脆转变温度分别为焊缝-65℃,熔合线-70℃,热影响区(HAZ)低于-70℃,焊板安全使用温度为-65℃以上;用0.8mm焊丝焊接时,接头各部位的韧脆转变均在-70℃以下发生,其安全使用温度为-70℃以上.     

12Ni3CrMoV钢焊接热影响区的断裂特征

本文采用裂纹张开位移(COD)试验方法,对60公斤级高强钢(12Ni3CrMoV)的热模拟试样,单道焊和多道焊实焊试样,热影响区的断裂韧性和裂纹扩展阻力进行了详细的研究.研究表明,在12Ni3CrMoV钢的焊接热影响区中存在着粗晶区脆化和不完全相变区脆化.粗大的马氏体和焊接过程产生的粒状贝氏体是脆化的内在原因.热模拟试样能够反映热影响区中各种组织的相对韧性次序.在模拟粗晶区中,晶粒度的大小是影响裂纹扩展阻力的主要因素.热模拟粗晶区的断裂韧性最差,而多道焊粗晶区具有较好的韧性,这是因为多道焊的粗晶区中马氏体经过多次热循环回火所致.焊接热模拟试样能够反映热影响区中对应组织的韧性,但利用热模拟试样难以评定实际焊接接头中热影响区的裂纹扩展阻力.     

非等强焊接接头的屈服载荷

焊接接头热影响区软化是TMCP钢不可避免的问题.为分析这种接头的承载能力,利用滑移线场的变形机制,考虑焊缝和热影响区的强度相对于母材的变化,以及它们的宽度相对于板厚的变化,给出了包含有焊缝、热影响区和母材的拉伸试样屈服载荷的计算方法.计算结果表明,热影响区的硬化或软化及其宽度对接头屈服载荷有直接的影响.热影响区软化的焊接接头承载能力可以通过提高焊缝强度来补偿.该分析方法适于TMCP钢焊接接头焊缝强度的初步设计.     

基于强度组配对设计曲线的简单修正

将相当应变的观点应用到含有一个焊缝裂纹的焊接宽板中，可以看出焊缝金属与母材塑性的差异显著影响其断裂韧性和裂纹扩展驱动力，重要的一点是仅根据断裂韧性或裂纹扩展驱动力来衡量焊接接头非等组配的影响是不够的，如果材料的应力应变曲线合线性硬化规律，得出一个简单的ＣＴＯＤ设计曲线的修正表达式，可以用来预测焊接结构的极限载荷、极限应变或极限裂纹长度。     

拘束应力对15MnMoVNRE钢焊接HAZ的相变和断裂韧性的影响

采用焊接热模拟和断裂韧性COD技术,研究了拘束应力对15MnMoVNRE钢焊接热影响区(HAZ)的相交及COD的影响。结果表明,拘束应力促进了相变的进行并使断裂韧性提高。     

X90螺旋埋弧焊管抗硫化氢性能的研究

对X90螺旋埋弧焊管进行氢致开裂（HIC）和硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）实验研究,结果表明：X90螺旋埋弧焊管管母比焊缝抗HIC的能力差,高位错密度的组织和高硬度是导致发生HIC开裂的主要原因.在72％最下规定屈服强度应力下进行SSCC实验,其中两个试样断裂失效,主要是由于断裂部位存在夹杂物或高的残余应力,以及粒状贝氏体（B粒）组织的存在引起硬度波动偏高而导致应力腐蚀断裂.电化学极化实验和交流阻抗测试也进一步证实了管母比焊缝更容易被腐蚀.     

非等强焊接接头屈服行为及屈服强度预测

细晶粒钢焊接接头热影响区晶粒粗化引起的屈服应力的局部下降,对接头安全性的影响需要做出定量评价.有限元分析发现,热影响区软化的对接接头的平板拉伸试样,在热影响区相邻的焊缝区和母材区,Mises等效应力升高,分布规律符合指数函数规律,而在热影响区相应减小,这种变化满足力的平衡条件.在此基础上提出了预测接头屈服强度的方法,其预测结果与有限元分析有很好的一致性.这种方法可用于热影响区软化焊接接头屈服强度的预测和高匹配接头的强度设计.     

起重机车架用Q345B/HG785D钢板焊接实验研究

以异种钢板Q345B与HG785D端头对焊为研究对象,通过在不同焊接热输入工艺条件下的MAG焊(熔化极活性气体保护电弧焊),对其端头焊接缺陷、力学性能及组织进行实验研究.实验发现:异种钢板端头对焊中,减小焊接电流可有效提高焊接接头强度;焊前预热、焊后缓冷可减少焊接接头的淬硬组织,提高焊接热影响区韧性.在焊接电流为140~200A、电压为22~24V、焊接速度为28cm/min的热输入条件下,采用预热+后热焊接工艺,焊接接头力学性能和弯曲特性可得到最佳效果.合理的焊接工艺可有效抑制汽车起重机车架焊缝开裂.