CN108181190A - 一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法 - Google Patents

一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，涉及焊接结构疲劳可靠性评估技术领域。该方法包括：通过确定第三阶段中每个载荷水平所对应的疲劳温升斜率；对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组疲劳温升斜率数据；对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线，将两直线的交点所对应的载荷水平值作为异种材料点焊接头的疲劳极限预测值，也即，将温升斜率出现转折所对应的载荷大小作为疲劳损伤机制发生改变的临界点，并以此预测异种材料点焊接头的疲劳极限，通过本发明的方法能够实现异种材料点焊接头疲劳极限的快速预测，其结果具有真实性、可靠性。

Description

一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法
技术领域
本发明涉及焊接结构疲劳可靠性评估技术领域，更具体的涉及一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法。
背景技术
高速、重载、节能、安全、舒适是现代铁道交通运输的主要特点，而结构轻量化是实现上述目标的有效途径。SUS301L奥氏体不锈钢列车凭借其自重轻、防腐蚀性好、抗拉强度高、美观安全等优点获得广泛应用；Q235低碳钢可焊性好，且具有淬硬性，绝大多低碳钢的焊接接头和热影响区硬度都高于母材。部分车体部件采用不锈钢与碳钢异种材料点焊的连接方法，既能综合利用二者优势，又能克服传统薄板电弧焊因焊接变形大而导致接头强度降低的问题。但是两种材料的过载力学性能和疲劳性能，以及断裂机制完全不同，故二者点焊接头疲劳极限的可靠预测是其结构设计过程中极其重要的一个环节。
近年来，红外热像法凭借其全场、实时、非接触和非破坏等优点逐步受到国内外学者的青睐，并将其应用到疲劳极限的研究当中。而现有基于红外热像技术的疲劳预测方法主要基于Risitano单线法和Luong双线法，Risitano等经过十五年的潜心研究，发现在高于疲劳极限的载荷作用下，材料疲劳破坏过程中温度稳定阶段的温度值和载荷大小有近似的线性关系；而在低于疲劳极限的载荷作用下，材料的温度变化很小，材料的疲劳极限可以通过绘制不同载荷水平下温度稳定阶段的温升值与载荷之间的直线关系来确定。Luong等研究发现，尽管当外加载荷低于疲劳极限时不会发生疲劳破坏，但是非塑性效应(如粘性效应)同样会引起温度变化，通过将疲劳极限之上和之下的两组温度数据进行线性拟合，得到两条直线的交点就是材料的疲劳极限。
然而点焊接头尤其是异种材料的点焊接头，一方面容易产生熔核偏移；另一方面由于循环载荷的作用点位于熔核中心内部，熔核表面在疲劳过程中的温度演化现象难以监测。上述因素使得异种材料点焊接头疲劳温升演化规律与典型的金属材料及对接接头规律存在诸多差异。首先，整个疲劳过程的疲劳温升值不大，这是由于点焊接头本身的结构特点及试样的几何尺寸所决定的，点焊接头承受循环剪切拉伸的作用点即热源点位于熔核中心，再经过板厚方向传热到试样表面，散热较多，只能监测到几度甚至零点几度温升值，但这不影响疲劳温度演化整体趋势及由此而展开的深入研究；再次，经过第一阶段温度快速升高所形成的峰值远低于最终断裂对应的峰值，这是由于点焊接头与纯金属或对接接头试样相比，承载能力低，施加载荷小，外界输入的机械能少；另外，未出现温度稳定的平台阶段，对于占据整个疲劳过程绝大部分周次的第三阶段，温度是一个稳定升高的过程，且整个第三阶段的疲劳温升斜率是一个稳定值，并未出现典型金属材料“三个阶段”的第二阶段平台，因此Risitano单线法和Luong双线法不能适用异种材料点焊接头疲劳极限快速预测。
发明内容
本发明实施例提供一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，用以解决现有技术Risitano单线法和Luong双线法不能适用异种材料点焊接头疲劳极限快速预测的问题。
本发明实施例提供一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，包括：
S1、在疲劳试样表面喷一层均匀的黑色哑光漆，所述黑色哑光漆的辐射率为0.9；其中，所述疲劳试样为异种材料点焊接头制备而成；
S2、利用红外热像仪实时监测异种材料点焊接头的不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点的温度；
S3、确定不同载荷水平下疲劳温升与循环周次的原始关系；其中，所述疲劳温升为异种材料点焊接头的不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点的最高温度与环境最高温度的差值；
S4、对多个所述疲劳温升与循环周次的原始关系进行滤波处理，得到的不同载荷水平下疲劳温升与循环周次的演化趋势；其中，所述疲劳温升与循环周次的演化趋势包括四个阶段，第一阶段为温度快速升高阶段，第二阶段为温度下降阶段，第三阶段为温度稳定升高阶段，第四阶段为冷却阶段；
S5、确定第三阶段中每个载荷水平所对应的疲劳温升斜率；其中，所述疲劳温升斜率为循环周次循环百万次的疲劳温升改变量；
S6、对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组疲劳温升斜率数据；
S7、对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线方程，并将两直线的交点所对应的载荷水平值为异种材料点焊接头的疲劳极限预测值。
较佳地，所述对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线方程分别为：
θ1＝0.000278567F+0.12346
θ2＝1.12259F-6.12676
其中，F为载荷水平，θ1为第一温升斜率，θ2为第二温升斜率。
较佳地，所述对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组温升斜率数据包括：
对温升斜率小于等于指定阈值的划分为一组；
对温升斜率大于指定阈值的划分为一组。
较佳地，所述步骤S7之后还包括：
S8、利用阶梯法对异种材料点焊接头进行预测，得到疲劳极限试验值；
S9、将所述疲劳极限预测值与所述疲劳极限试验值进行比较，得到误差值。
较佳地，所述异种材料由厚度均为4mm的SUS301L不锈钢和Q235B低碳钢组成。
较佳地，所述红外热像仪的灵敏度小于0.03℃，温度范围为-20℃～1200℃，图像捕获频率为9Hz。
本发明实施例中，通过确定第三阶段中每个载荷水平所对应的疲劳温升斜率；对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组疲劳温升斜率数据；对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线，将两直线的交点所对应的载荷水平值为异种材料点焊接头的疲劳极限预测值，也即，将温升斜率出现转折所对应的载荷大小作为疲劳损伤机制发生改变的临界点，并以此预测异种材料点焊接头的疲劳极限，由于该预测值与试验值进行对比得出的误差为5.21％，具有较高的一致性，因此，本发明能够实现异种材料点焊接头疲劳极限的快速预测，其结果具有真实性、可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的异种材料点焊接头试样尺寸；
图2为本发明实施例提供的一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法的疲劳试验测温***；
图3为本发明实施例提供的一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法的流程示意图；
图4本发明实施例提供的疲劳试样在载荷水平为7.0KN时的疲劳温升与循环周次关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的劳试样在不同载荷水平下的疲劳温升与循环周次关系曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种异种材料点焊接头疲劳极限预测图；
图7为本发明实施例提供的利用阶梯法对异种材料点焊接头进行预测的试验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的试验材料与设备
试验选用厚度均为4mm的SUS301L不锈钢和Q235B低碳钢，进行异种材料的搭接双面单点焊，其名义化学成分及主要力学性能如表1、表2所示。为了保证焊接接头质量，施焊前需对焊件表面进行清理，以除掉表面脏物与氧化膜，获得小而均匀一致的接触电阻，这是避免电极粘结、喷溅，保证点焊质量和试验稳定性的主要前提。点焊试验在悬挂式点焊机上进行，电极材料为CrZrCu，电极直径22mm，电极端头球面半径为100mm，电极行程为30mm。点焊后按照JIS Z3140-2000、JIS Z3139-2000标准进行外观检验、平滑度检验及断面检验。
表1试验材料名义化学成分
表2试验材料主要力学性能
本发明实施例中，选用SUS301L-Q235B异种材料点焊接头作为疲劳试样，且疲劳试样的疲劳温度演化试验在PLG–200D高频疲劳试验机上进行，依据ISO14234-2003标准，疲劳试样尺寸如图1所示(单位：mm)，试样纵向为板材轧制方向，板状试验片边缘需适当修整，试件要求对称和具有足够的精度。
具体地，为了提高金属表面的辐射率，在疲劳试样表面喷上一层均匀的黑色哑光漆，其辐射率为0.9。疲劳试验时应力比R＝0.1，以正弦波方式加载，指定寿命为2x106次。
图2为本发明实施例提供的一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法的疲劳试验测温***，该***采用美国Fluke公司生产的Ti450红外热像仪记录点焊接头不锈钢侧熔核及塑性环局部热点的温度变化，红外热像仪灵敏度不大于0.03℃，温度范围-20～1200℃，图像捕获频率为9Hz，红外热像仪放置在距离试样30cm处，垂直试样表面拍摄。
力学性能测试，为了得到US301L-Q235B异种材料点焊接头的拉伸性能参数以确定疲劳试验所加初始载荷的水平，分别取三组试样进行静载拉伸试验，测得其抗拉强度如表3所示。可以看出，在试验所选取的工艺参数下，由于点焊搭接接头本身特点所导致的偏心剪切拉伸作用，点焊接头的抗拉强度低于母材。
表3 US301L-Q235B异种材料点焊接头静载拉伸性能
图3为本发明实施例提供的一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括:
S1、在疲劳试样表面喷一层均匀的黑色哑光漆，该黑色哑光漆的辐射率为0.9；其中，该疲劳试样为异种材料点焊接头制备而成。
S2、利用红外热像仪实时监测异种材料点焊接头的不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点的温度。
在实施例中，对SUS301L-Q235B异种材料点焊接头疲劳试样在不同载荷水平下进行高频拉-拉载荷疲劳试验，分别选取5.0KN，5.5KN，6.0KN，6.5KN，7.0KN，7.5KN，8.0KN共七个载荷水平。试验同时，借助高性能红外热像仪对点焊接头SUS301L不锈钢侧熔核及塑性环表面的局部热点进行监测，记录下点焊接头在整个疲劳试验过程中的温度演化数据。
S3、确定不同载荷水平下疲劳温升与循环周次的原始关系；其中，该疲劳温升为异种材料点焊接头的不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点的最高温度与环境最高温度的差值。
S4、对多个该疲劳温升与循环周次的原始关系进行滤波处理，得到的不同载荷水平下疲劳温升与循环周次的演化趋势；其中，该疲劳温升与循环周次的演化趋势包括四个阶段，第一阶段为温度快速升高阶段，第二阶段为温度下降阶段，第三阶段为温度稳定升高阶段，第四阶段为冷却阶段。
其中，为了统一分析比较，将每一时刻点焊接头试样SUS301L不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点的最高温度与环境最高温度的差值作为疲劳温升ΔT，以循环周次N为横坐标，以疲劳温升ΔT为纵坐标，建立异种点焊接头疲劳过程的原始温度演化曲线。以载荷水平为7.0KN的试样为例。由于弹性效应的存在，异种材料点焊接头疲劳过程的原始温度是一个不断震荡的过程，需借助Matlab软件对其进行滤波处理，以消除弹性效应获得点焊接头疲劳过程温度演化的整体趋势。经Matlab滤波后得到的整体温度演化趋势如图4所示，其中(a)为异种材料点焊接头试样在可见光下拍摄的照片，(b)到(f)为关键点所对应的红外热像图。可以看出，SUS301L-Q235B异种材料点焊接头在循环载荷作用下熔核及塑性环表面局部热点的温度变化分四个阶段，即由(b)到(c)的温度快速上升阶段、由(c)到(d)的温度下降阶段、由(d)到的(f)温度稳定上升阶段以及随后的自然冷却阶段，这与报道中有关纯金属材料“三个阶段”及对接接头“五个阶段”的典型特征存在较明显的差异。首先，整个疲劳过程的疲劳温升值不大，这是由于点焊接头本身的结构特点及试样的几何尺寸所决定的，点焊接头承受循环剪切拉伸的作用点即热源点位于熔核中心，经过4mm板厚传热到试样表面，散热较多，只能监测到几度甚至零点几度温升值，但这不影响疲劳温度演化整体趋势及由此而展开的深入研究；再次，经过第一阶段温度快速升高所形成的(c)处峰值远低于最终断裂对应的(f)处峰值，这是由于点焊接头与纯金属或对接接头试样相比，承载能力低，施加载荷小，外界输入的机械能少；另外，未出现温度稳定的平台阶段，对于占据整个疲劳过程绝大部分周次的第三阶段，温度是一个稳定升高的过程，且整个第三阶段的疲劳温升斜率是一个稳定值。
为了深入研究疲劳温升与疲劳极限的内在关系，将七个点焊接头试样的疲劳温升与循环周次的关系曲线建立在同一坐标系下，如图5所示。可以看出，随着载荷水平的升高，疲劳温升的峰值逐渐升高，且温度变化率即单位周次升高的温度越大。其中，载荷水平为5.0KN和6.5KN的试样在循环周次达到200万的预设次数时未发生断裂，其疲劳温升是一个震荡平台，温度改变量较小；而发生疲劳断裂的试样均出现了显著温度变化。因此，尝试将温升斜率出现转折所对应的载荷大小作为疲劳损伤机制发生改变的临界点，并以此预测异种材料点焊接头的疲劳极限。
S5、确定第三阶段中每个载荷水平所对应的疲劳温升斜率；其中，该疲劳温升斜率为循环周次循环百万次的疲劳温升改变量。
S6、对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组疲劳温升斜率数据。
其中，所述对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组温升斜率数据包括：
对温升斜率小于等于指定阈值的划分为一组。
对温升斜率大于指定阈值的划分为一组。
所述指定阈值为经验值，在本发明实施例中，可将该阈值设定为0.5。
S7、对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线方程，将两直线的交点所对应的载荷水平值为异种材料点焊接头的疲劳极限预测值。
其中，建立第三阶段温升斜率与载荷水平间的关系图，如图6所示。从图可不难看出，载荷水平为5.0KN、5.5KN和6.5KN所对应的温升斜率很微小，小于指定阈值0.5，其余四个载荷水平的温升斜率发生了显著变化。为了确定这种温升斜率出现转折所对应的载荷大小，并以此作为疲劳极限预测值，分别对两组疲劳温升斜率数据进行线性拟合，可得两直线方程分别为：
θ1＝0.000278567F+0.12346 (1)
θ2＝1.12259F-6.12676 (2)
其中，将(1)式跟(2)式联立，两直线交点所对应的横坐标为5.569KN。因此，得到异种材料点焊接头的疲劳极限预测值为5.569KN。
另外，为了验证本发明疲劳极限预测方法的真实性与可靠性，随后进行了阶梯法疲劳试验。
S8、利用阶梯法对异种材料点焊接头进行预测得到疲劳极限试验值。
S9、将所述疲劳极限预测值与所述疲劳极限试验值进行比较，得到误差值。
阶梯法疲劳验证试验
根据GB/T15111-94《点焊接头剪切拉伸疲劳试验方法》标准，采用2X106次作为判别标准开展疲劳试验，当试样超过预设循环周次2X106而未产生明显的宏观裂纹，视为“通过”，否则视为“不通过”。根据经验及点焊接头静载拉伸试验所得抗拉强度的大小确定疲劳试验初始载荷大小，疲劳试验中施加的疲劳载荷幅度从7KN开始，若在前一次试验中试件没有通过，则在下一次试验中将载荷降低0.5KN；反之，则增加0.5KN。按照此规则在相同的加载频率与应力比下重复进行疲劳试验，根据GB/T24178-2009《金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法》，最少选取8根试样用于解释试验，在4个等间距的载荷水平下，每个载荷水平测试两个试样，试验结果如图7所示。
对试验数据进行统计分析，可以得到该异种材料点焊接头在2X106循环周次下所对应的疲劳极限为：
其中，利用本发明方法疲劳极限预测值与利用阶梯法得到的疲劳极限试验值相比较，并计算其误差：
因此，δ为疲劳极限预测值与疲劳极限试验值的误差，且δ为5.21％，具有较高的一致性，能够实现异种材料点焊接头疲劳极限的快速预测，同时，本发明所提出方法有望为不等厚异种材料等非均质焊接结构服役行为的研究提供理论指导和技术支持。
本发明实施例将SUS301L-Q235B异种材料点焊接头在循环载荷作用下熔核及塑性环表面局部热点的温度变化分为四个阶段，随着载荷水平的升高，疲劳温升的峰值逐渐升高，且温度变化率即单位周次升高的温度越大。且整个第三阶段的疲劳温升斜率是一个稳定值。因此利用通过确定第三阶段中每个载荷水平所对应的疲劳温升斜率；对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组疲劳温升斜率数据；对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线，将两直线的交点所对应的载荷水平值为异种材料点焊接头的疲劳极限预测值，也即，将温升斜率出现转折所对应的载荷大小作为疲劳损伤机制发生改变的临界点，并以此预测异种材料点焊接头的疲劳极限，得到点焊接头疲劳极限的预测值为5.569KN，并且进行了阶梯法疲劳验证试验，得到该异种材料点焊接头在2X106循环周次下所对应的疲劳极限为5.875KN，预测值与试验值之间的误差为5.21％，具有较高的一致性。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，其特征在于，包括：
S1、在疲劳试样表面喷一层均匀的黑色哑光漆，所述黑色哑光漆的辐射率为0.9；其中，所述疲劳试样为异种材料点焊接头制备而成；
S2、利用红外热像仪实时监测异种材料点焊接头的不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点的温度；
S3、确定不同载荷水平下疲劳温升与循环周次的原始关系；其中，所述疲劳温升为异种材料点焊接头的不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点的最高温度与环境最高温度的差值；
S4、对多个所述疲劳温升与循环周次的原始关系进行滤波处理，得到的不同载荷水平下疲劳温升与循环周次的演化趋势；其中，所述疲劳温升与循环周次的演化趋势包括四个阶段，第一阶段为温度快速升高阶段，第二阶段为温度下降阶段，第三阶段为温度稳定升高阶段，第四阶段为冷却阶段；
S5、确定第三阶段中每个载荷水平所对应的疲劳温升斜率；其中，所述疲劳温升斜率为循环周次循环百万次的疲劳温升改变量；
S6、对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组疲劳温升斜率数据；
S7、对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线方程，并将两直线的交点所对应的载荷水平值作为异种材料点焊接头的疲劳极限预测值。
2.根据权利要求1所述的异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，其特征在于，所述对两组疲劳温升斜率数据分别进行线性拟合得到两直线方程，两直线方程分别为：
θ1＝0.000278567F+0.12346
θ2＝1.12259F-6.12676
其中，F为载荷水平，θ1为第一温升斜率，θ2为第二温升斜率。
3.根据权利要求1所述的异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，其特征在于，所述对多个疲劳温升斜率按指定规则进行划分，得到两组温升斜率数据，包括：
将温升斜率小于等于指定阈值的疲劳温升斜率划分为一组；
将温升斜率大于指定阈值的疲劳温升斜率划分为一组。
4.根据权利要求1所述的异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，其特征在于，所述步骤S7之后还包括：
S8、利用阶梯法对异种材料点焊接头进行预测，得到疲劳极限试验值；
S9、将所述疲劳极限预测值与所述疲劳极限试验值进行比较，得到误差值。
5.根据权利要求1所述的异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，其特征在于，所述异种材料由厚度均为4mm的SUS301L不锈钢和Q235B低碳钢组成。
6.根据权利要求1所述的异种材料点焊接头疲劳极限快速预测方法，其特征在于，所述红外热像仪的灵敏度小于0.03℃，温度范围为-20℃～1200℃，图像捕获频率为9Hz。
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