AZ31B镁合金TIG焊横向接头疲劳性能研究

论文摘要

随着科学技术的发展，以及人们对能源和环境保护的重视，被称为21世纪“绿色”工程材料的镁合金受到越来越多的关注。对于大型复杂的结构而言，焊接技术是其最重要的加工技术，而疲劳破坏是焊接结构失效的一种主要形式。因此了解镁合金焊接结构疲劳性能的特点，采用合理的评定方法指导镁合金焊接结构的疲劳设计，对于镁合金的发展和广泛应用都具有极其重要的作用。本文通过疲劳试验对AZ31B镁合金板材TIG焊横向对接接头和横向非承载十字接头的疲劳性能和相应的S-N曲线进行了分析，将试验结果与同形式、同参数的铝合金、不锈钢焊接接头的疲劳数据进行了比较。用热点应力方法对镁合金横向接头进行了疲劳评定研究。利用有限元软件对焊缝几何尺寸与镁合金接头焊趾部位应力集中系数的关系做了分析。研究发现，AZ31B镁合金母材和两种横向接头试验数据直接拟合得到的S-N曲线斜率m分别为4.45、4.43和3.05，在2×106的循环次数下的名义应力疲劳强度分别为57.81MPa、24.60MPa、17.25MPa，两种接头试件的热点应力疲劳强度分别为29.5MPa和20.7MPa。镁合金横向接头名义应力和热点应力S-N曲线的斜率和疲劳强度均高于国际焊接学会（ⅡW）推荐的m=3.0及相应的疲劳强度，这说明对于镁合金，使用m=3.0也具有一定的安全裕度。通过试验比较，AZ31B镁合金两种横向接头的疲劳强度是同形式铝合金接头的40％左右，横向非承载十字接头的疲劳强度还不足同形式不锈钢接头疲劳强度的10％。将镁合金接头的试验数据用国际焊接学会（ⅡW）推荐的m=3.0处理得出FAT值，与规范给出的同形式铝合金和结构钢接头的疲劳级别进行对比，结果表明经过安全评定方法处理的镁合金接头的疲劳强度仅为规定的铝合金疲劳级别的一半，为结构钢的10％～16％。通过有限元模拟，外推得出接头的热点应力，并计算得出横向对接接头和横向非承载十字接头的热点应力集中系数分别为1.2和1.6，说明热点应力集中系数与接头形式有重要关系。AZ31B镁合金两种横向接头的热点应力疲劳强度可用一条S-N曲线表示，说明用热点应力法进行镁合金接头的疲劳评定能够减少焊接接头按疲劳强度划分的等级，比用名义应力法进行评定具有一定的优越性。通过有限元的模拟，发现对于AZ31B镁合金对接焊缝和角焊缝，焊趾角度θ和焊趾处过渡圆弧半径ρ都是影响应力集中系数的主要因素。焊趾角度θ的增大、焊趾处过渡圆弧半径ρ的减小都会使焊趾处应力集中系数增大，从而恶化镁合金接头的疲劳性能，其中焊趾角度对应力集中系数的影响最大，并且当焊缝截面形状变化较大（θ较大或ρ较小）时，应力集中系数对于其他影响因素的敏感性较强。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 镁合金焊接的研究现状
• 1.2.1 镁合金焊接工艺及方法的研究
• 1.2.2 镁合金接头力学性能研究现状
• 1.3 影响焊接结构疲劳强度的主要因素
• 1.3.1 应力集中对疲劳强度的影响
• 1.3.2 焊接残余应力对疲劳强度的影响
• 1.3.3 材质因素对疲劳强度的影响
• 1.4 焊接结构疲劳强度评定方法介绍
• 1.4.1 疲劳加载应力类别
• 1.4.2 名义应力评定方法
• 1.4.3 结构应力（热点应力）评定方法
• 1.4.4 缺口应力评定方法
• 1.4.5 断裂力学评定方法
• 1.4.6 局部法
• 1.5 本文的研究内容以及技术路线
• 第二章 镁合金焊接接头疲劳试验的设计与实施
• 2.1 引言
• 2.2 焊前准备
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试件形式与尺寸
• 2.2.3 焊接工艺
• 2.3 接头性能测试
• 2.3.1 焊接接头的金相组织
• 2.3.2 焊接接头室温力学性能测试
• 2.4 试验方法及设备
• 第三章 AZ31B镁合金焊接接头疲劳试验结果分析
• 3.1 引言
• 3.2 AZ31B镁合金焊接接头名义应力试验结果
• 3.3 疲劳试验数据的分析方法
• 3.3.1 最小二乘法拟合
• 3.3.2 疲劳试验数据的统计方法
• 3.4 试验结果分析与讨论
• 3.4.1 S-N曲线
• 3.4.2 结果分析
• 3.5 AZ31B镁合金与其它金属材料焊接接头疲劳性能比较
• 3.5.1 疲劳强度的对比
• 3.5.2 疲劳级别FAT的对比
• 3.6 本章小结
• 第四章 AZ31B镁合金横向接头疲劳性能影响因素有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 焊缝几何特征对AZ31横向对接接头疲劳强度的影响分析
• 4.2.1 有限元模型建立
• 4.2.2 计算内容及结果
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 几何特征对AZ31横向非承载十字接头疲劳强度的影响分析
• 4.3.1 有限元模型建立
• 4.3.2 计算内容及结果
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 AZ31B镁合金疲劳性能的热点应力方法评定
• 5.1 引言
• 5.2 热点应力方法介绍
• 5.2.1 热点应力的概念及应用范围
• 5.2.2 热点应力的界定
• 5.2.3 热点应力的组成
• 5.2.4 热点应力的测定
• 5.2.5 热点应力方法在管节点中的应用
• 5.3 热点应力方法在板结构中的应用
• 5.3.1 热点的类型
• 5.3.2 热点应力的外推
• 5.3.3 热点应力的有限元计算
• 5.3.4 热点应力有限元分析的主要影响因素
• 5.4 AZ31B镁合金横向焊接接头热点应力疲劳评定
• 5.4.1 焊缝几何尺寸的测算
• 5.4.2 AZ31B镁合金焊接接头热点应力的有限元计算
• 5.4.3 AZ31B镁合金焊接接头热点应力疲劳试验结果
• 5.4.4 AZ31B镁合金焊接接头热点应力S-N曲线
• 5.4.5 AZ31B镁合金焊接接头热点应力S-N曲线分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的主要论文