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高强钢低匹配等承载对接接头随焊整形可行性研究

周立鹏  
【摘要】:高强钢采用低强组配接头尽管具有增加接头韧性、降低冷裂倾向、降低预热温度甚至可以不预热焊接等优点,但高强钢的常规低组配焊接接头的承载能力低于等匹配接头,尤其是焊趾区应力集中系数严重降低了接头的疲劳抗力。“等承载能力”焊接结构设计思想(ELCC)就通过优化接头几何参数使低强度焊缝区具有与母材相同的静承载能力和疲劳抗力。机械加工整形方法是目前获得等承载设计所要求的余高及余高与母材过渡区形状参数的唯一手段。但是机加整形成本高、效率低,不利于等承载设计方法的推广应用。为提高整形效率本文提出利用焊缝金属塑性变形能力进行随焊整形的思想,并对随焊整形方法的可行性进行了研究。 随焊整形是利用具有圆弧过渡轮廓特征的整形模具,对熔池后方变形抗力较低的高温焊缝金属进行塑性加工,迫使焊趾区金属发生塑性延展变形进而使余高与母材之间过渡平滑,达到减小应力集中的目的。 整形可行性试验材料采用HQ620CF高强钢和J422焊条。按等承载设计原则确定了一定匹配比下焊缝的目标几何形状尺寸。提出了塑性整形区的概念,把温度处于450-700℃的焊缝金属所在区域叫做塑性整形区。本文用TIG电弧加热焊缝表面获得整形所需温度,分析了加热电弧作用下塑性整形区的位置。 根据塑性整形区位置和焊缝目标形状的尺寸要求,研制了两套焊缝整形装置,分别是气锤驱动的碾压轮整形装置和电锤驱动的冲击杆整形装置。从应力应变的角度,说明碾压轮作用下的金属发生塑性变形的趋势。通过试验模拟相结合的方法探索了焊缝整形工艺。整形试验发现碾压轮要与合适的焊缝形状相耦合才能发挥效应,接触面为双弧形时焊缝成形效果较好。冲击杆整形对焊缝形状没有严格的要求。 整形结果表明,经整形焊缝的焊趾过渡半径明显增大。焊接残余应力测量结果显示,两种整形过程均对焊趾区引入了有益的压应力。力学性能测试结果表明整形接头的焊趾区表层硬度和疲劳性能都有一定提高。静拉伸试验时,接头均断于焊趾部位,焊趾最大应力高于母材屈服强度,说明接头的静载强度达到等承载要求。


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