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《天津大学》 2010年
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改善焊接接头性能的超声冲击方法若干问题的研究

尹丹青  
【摘要】: 本文对超声冲击处理方法存在的一些问题进行了研究。 本文针对现有超声冲击设备无法满足工程现场操作的要求,设计了一套小型化的超声冲击系统,该系统包括一把半波长超声冲击枪、一种新式的斜角度冲击针和一款便携式小型化超声电源。在实际使用过程证明本小型化超声冲击系统在原有全波长超声冲击系统的基础上,减小了设备的尺寸的同时不改变输出功率,并且提高了设备对于现场操作的适应性,拓展了超声冲击设备的应用场合。 由于现在焊接疲劳设计仍然应用疲劳极限的设计方法,而试验和工程实例证明疲按照劳极限设计法设计的焊接结构在超长寿命区间服役时其疲劳性能是不可靠的。本文中研究了两种在工程上常用的结构钢Q235和Q345的焊接接头在超长寿命区间的疲劳行为,讨论了使用超声冲击改善焊接接头疲劳性能的可行性,并且对接头部位断口的形貌特征进行了详细的分析。研究表明:对于焊接接头无论变幅疲劳或是衡幅疲劳其疲劳极限均不存在,焊接接头疲劳寿命的设计应按照不同的焊后增强处理状态分别考虑,并对疲劳设计曲线进行修正。焊态接头的断裂模式仍然以表层的夹杂物造成的裂纹扩展并最终断裂为主要模式,而超声冲击处理试件中存在着由微小的冲击裂纹扩展导致的疲劳断裂。 本文使用通用有限元分析软件ANSYS对超声冲击处理过程进行进行模拟,分析了平板对接焊接头超声冲击处理过程和非承载结构与承载结构超声冲击处理过程。建立了平板对接焊接头的三维焊接热应力场模型,对平板对接接头在焊接过程中的应力变化数值分析,然后在焊接应力模拟的基础上对随后的超声冲击处理过程进行了数值模拟,通过对冲击深度的调整得出了与实际测定结果相符合的数值解,为今后进行超声冲击处理的研究和工艺优化提供了数值依据。 由于超声冲击处理的大规模工程应用现在已经在美国、乌克兰、俄罗斯以及加拿大等国大规模开展起来,但是少有研究对承载结构和非承载结构超声冲击处理后疲劳行为进行试验和理论分析比较。在本文中对承载与非承载经超声冲击处理后的疲劳行为进行了比较,并且首次用数值模拟的方法定量的分析了二者的差别,研究表明无论是非承载超声冲击处理还是承载超声冲击处理都可以改善焊趾部位的过渡半径,而承载结构的超声冲击处理还可以大幅度的降低结构中的拉伸应力峰值,提高结构的抗疲劳性能。 此外,本文还研究了超声冲击处理后的304不锈钢试样抗应力腐蚀的性能,对304不锈钢进行沸腾氯化镁中的应力腐蚀试验,试验结果表明经过超声冲击处理后母材和焊缝的应力腐蚀寿命提高了10到13倍以上,这是由于超声冲击处理后产生的表层高值残余压缩应力与试件中的拉应力相叠加抵消或者大大降低了最终试件应力值,使其低于临界拉应力不能满足应力腐蚀条件,因此提高了试样抗应力腐蚀的性能。无论在原始试样还是冲击处理态试样中,应力腐蚀断裂是典型的脆性断裂,断口形貌为解理断裂形貌或沿晶断裂形貌和解理断裂形貌,并未有其它断口形貌存在。极化曲线的测定结果也证实了超声冲击处理对于不锈钢抗应力腐蚀性能的提高具有促进作用。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG407

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