改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法研究

论文摘要

焊接结构经常发生疲劳断裂事故,改善焊接接头疲劳性能具有极大的经济效益和社会效益。本文对改善焊接结构疲劳性能的等离子喷涂法进行了试验研究。基于相变过程中的体积膨胀原理,研制了低相变温度喷涂粉末（LTTDS）,等离子喷涂后涂层表面应力平均值为-31.7MPa。疲劳试验结果表明喷涂合金粉末类型对喷涂后接头疲劳性能影响较大。LF6十字接头等离子喷涂AlSi粉后疲劳性能与焊态试样相当,△σ=80MPa时等离子喷涂NiAl疲劳寿命降低了72.3%。1Cr18Ni9Ti氩弧焊十字接头等离子喷涂AlSi粉后在△σ=180MPa时疲劳寿命与焊态试样相同;等离子喷涂低碳钢粉后疲劳强度提高20.4%～25.9%,疲劳寿命延长1.58～9.62倍,喷涂LTTDS比喷涂低碳钢的试样疲劳强度高3.6%。电弧焊十字接头等离子喷涂低碳钢后疲劳强度提高22.5%,疲劳寿命延长1.98～4.52倍,喷涂LTTDS比喷涂低碳钢的试样疲劳强度高5.3%。等离子喷涂低碳钢粉后纵向接头疲劳强度提高10.1%～13.9%,疲劳寿命延长1.34～1.70倍;喷涂LTTDS比喷涂低碳钢粉末的试样疲劳强度提高3.8%,疲劳寿命延长0.21～0.32倍。喷涂工艺方法对改善效果有较大影响。若喷涂材料选用低碳钢,1Cr18Ni9Ti氩弧焊十字接头火焰喷涂和等离子喷涂后疲劳强度分别提高9.7%和20.4～25.9%,疲劳寿命分别延长1.55～1.97倍和1.58～9.62倍;△σ=180MPa时等离子喷涂与喷焊Ni60A的试样疲劳寿命基本相同。焊态和火焰喷涂试样在焊趾处断裂,等离子喷涂与喷焊试样在试验段与夹持段的圆弧过渡处起裂。纵向接头喷涂低碳钢后在焊趾处断裂,等离子喷涂LTTDS后疲劳裂纹在焊缝金属中萌生。有限元分析表明焊态试样焊趾处的理论应力集中系数为2.75,等离子喷涂后焊趾处的理论应力集中系数1.1。等离子喷涂试样焊趾附近涂层与基体界面处的法向拉伸应力小于涂层的结合强度。火焰喷涂层与基体界面处焊趾附近的法向拉伸应力大于涂层的结合强度,在承受疲劳载荷时焊趾处将出现涂层局部剥离,这正是火焰喷涂试件疲劳强度低于等离子喷涂试件的原因。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素
• 1.2.1 应力集中对疲劳强度的影响
• 1.2.2 平均应力的影响
• 1.2.3 焊接残余应力对疲劳强度的影响
• 1.2.4 材质和力学非均匀性的影响
• 1.2.5 静载强度对焊接结构疲劳强度的影响
• 1.3 改善焊接结构疲劳强度的工艺方法
• 1.3.1 改善焊趾几何形状降低应力集中的方法
• 1.3.2 调整残余应力场产生压缩应力的方法
• 1.3.3 降低应力集中和产生压缩应力兼而有之的方法
• 1.3.4 提高焊接接头疲劳强度的最新技术
• 1.4 热喷涂层对疲劳性能影响的研究现状
• 1.4.1 热喷涂层对光滑试样疲劳强度的影响
• 1.4.2 喷涂层对焊接结构疲劳强度的影响
• 1.4.3 本文研究方向的提出
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 等离子喷涂简介及涂层性能测试
• 2.1 前言
• 2.2 等离子喷涂法及喷涂层性能简介
• 2.2.1 热喷涂原理和涂层性能
• 2.2.2 等离子喷涂工艺过程
• 2.2.3 喷涂材料的发展趋势
• 2.2.4 涂层功能和应用
• 2.3 喷涂工艺方案设计
• 2.3.1 喷涂粉末材料
• 2.3.2 等离子喷涂工艺过程
• 2.3.3 试验方法及设备
• 2.4 试验结果分析
• 2.4.1 涂层的显微组织
• 2.4.2 低碳钢涂层的显微硬度
• 2.4.3 涂层的界面结合强度
• 2.4.4 涂层的弹性模量
• 2.5 本章小结
• 第三章 等离子喷涂法改善焊接结构疲劳性能的试验验证
• 3.1 前言
• 3.2 不考虑涂层残余应力的疲劳性能试验
• 3.2.1 疲劳试验材料
• 3.2.2 疲劳试件的接头类型
• 3.2.3 疲劳试验方法
• 3.2.4 疲劳试件的制备
• 3.2.5 试验结果分析与讨论
• 3.3 引进涂层残余压缩应力时的疲劳试验
• 3.3.1 喷涂合金粉末的研制
• 3.3.2 疲劳试验材料及方法
• 3.3.3 疲劳试验结果
• 3.3.4 各种接头的S-N 曲线
• 3.3.5 疲劳试验结果的分析比较
• 3.4 基于IIW疲劳设计规范的疲劳试验数据统计分析
• 3.4.1 IIW 疲劳设计规范简介
• 3.4.2 疲劳试验数据的统计分析方法
• 3.4.3 疲劳试验数据的统计处理结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于 ANSYS 的应力场计算
• 4.1 前言
• 4.2 有限元计算
• 4.2.1 有限元模型
• 4.2.2 应力集中系数
• 4.3 有限元计算结果分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 喷涂层对十字接头焊趾裂纹应力强度因子的影响
• 5.1 前言
• 5.2 断裂参量的数值模拟
• 5.2.1 应力强度因子的基本概念
• 5.2.2 结构、焊缝及裂纹形状对应力强度因子的影响
• 5.3 有限元模型的建立
• 5.3.1 二维断裂模型
• 5.3.2 三维断裂模型
• 5.4 计算结果分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 等离子喷涂改善焊接结构疲劳性能的机理分析
• 6.1 前言
• 6.2 涂层对焊趾处应力状态的的影响
• 6.2.1 涂层对焊趾应力集中的影响
• 6.2.2 涂层对焊趾微裂纹应力强度因子的影响
• 6.3 等离子喷涂改善焊接结构疲劳性能的机理分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢