本發(fā)明涉及材料分析測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種板狀焊接構(gòu)件疲勞試樣的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在焊接過程中，材料經(jīng)常由于不均勻的受熱和變形而在構(gòu)件中產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接構(gòu)件疲勞性能的影響是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。早期的研究認(rèn)為焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接構(gòu)件疲勞性能的影響可以忽略，但是后期學(xué)者的研究卻得到相反的結(jié)論。后期研究者指出，早期疲勞實(shí)驗(yàn)中焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響有限的主要原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用小尺寸試樣，其中的殘余應(yīng)力值較小。一些學(xué)者采用含較高殘余應(yīng)力水平的試樣進(jìn)行研究表明高殘余拉應(yīng)力會(huì)明顯降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。然而，受實(shí)際疲勞實(shí)驗(yàn)設(shè)備所限，疲勞試樣尺寸不能很大。因此，為了保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，同時(shí)又保留焊接構(gòu)件中的殘余應(yīng)力，需要確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最小尺寸。與此同時(shí)，為了對(duì)比研究殘余應(yīng)力對(duì)焊接構(gòu)件疲勞性能的影響，需要確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最大尺寸。

目前關(guān)于板狀焊接構(gòu)件疲勞性能的實(shí)驗(yàn)研究主要采用從焊接構(gòu)件上切取或焊接小試樣的方法。然而已有的疲勞標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試樣尺寸沒有考慮制備的試樣中殘余應(yīng)力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。對(duì)于板狀連續(xù)焊縫焊接構(gòu)件的疲勞試樣尺寸的確定還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，只有點(diǎn)焊疲勞標(biāo)準(zhǔn)可作為參考。標(biāo)準(zhǔn)ISO 14324-2003(Resistance spot welding-Destructive tests of welds-Method for the fatigue testing of spot welded joints)中規(guī)定：當(dāng)板厚為0.5mm-1.5mm時(shí)，點(diǎn)焊接頭剪切疲勞試樣寬度為45mm；當(dāng)板厚為1.5mm-3mm時(shí)，點(diǎn)焊接頭剪切疲勞試樣寬度為60mm。

綜上所述，研究殘余應(yīng)力對(duì)板狀焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響需要在構(gòu)件上合理取樣。試樣尺寸過小殘余應(yīng)力將釋放，試樣尺寸過大雖然保存了殘余應(yīng)力但是將導(dǎo)致選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備難度大，實(shí)驗(yàn)成本增高。因此，有必要發(fā)明一種板狀焊接構(gòu)件疲勞試樣制備方法，使研究人員可以通過改變?cè)嚇映叽绔@得有殘余應(yīng)力和無殘余應(yīng)力的疲勞試樣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種板狀焊接構(gòu)件疲勞試樣的制備方法和應(yīng)用，該方法制備的試樣尺寸適當(dāng)，制備重復(fù)性好，適用于常用的疲勞試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)用于研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)試樣疲勞性能的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種板狀焊接構(gòu)件疲勞試樣的制備方法，所述疲勞試樣取樣于板狀焊接構(gòu)件，該方法首先分別確定含殘余應(yīng)力的疲勞試樣的最小寬度以及不含殘余應(yīng)力的疲勞試樣的最大寬度，然后按所確定的寬度制備出含殘余應(yīng)力和不含殘余應(yīng)力的兩種疲勞試樣；所述含殘余應(yīng)力的疲勞試樣的最小寬度以及不含殘余應(yīng)力的疲勞試樣的最大寬度的確定過程包括如下步驟：

1)在板狀焊接構(gòu)件上粘貼應(yīng)變片：應(yīng)變片粘貼在焊縫處及焊縫兩側(cè)；

2)確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最小寬度：沿垂直于焊縫方向?qū)附訕?gòu)件進(jìn)行逐條切割，切割過程是從焊件端部依次向應(yīng)變片位置平移；記錄每次切割后殘余應(yīng)力變化，通過殘余應(yīng)力變化確定能夠保留構(gòu)件殘余應(yīng)力的最小試樣寬度；

3)確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最大寬度：沿垂直于焊縫方向?qū)附訕?gòu)件進(jìn)行逐條切割，切割過程是從焊件端部依次向應(yīng)變片位置平移；記錄每次切割后殘余應(yīng)力變化，通過殘余應(yīng)力變化確定殘余應(yīng)力基本釋放時(shí)的疲勞試樣最大寬度。

上述步驟(1)中，所述板狀焊接構(gòu)件是將兩塊板材通過搭接、對(duì)接或角接的方式焊接而成。

上述步驟(1)中，所述應(yīng)變片的粘貼位置與構(gòu)件上切割開始端的距離大于50mm，焊縫及焊縫兩側(cè)所粘貼的應(yīng)變片位于同一直線上，且該直線垂直于焊縫方向；焊縫兩側(cè)所粘貼的應(yīng)變片到焊縫所在直線的距離為1-10mm。

上述步驟(2)和步驟(3)中，所述逐條切割每次的切割寬度為5mm-50mm之間，切割寬度是指相鄰兩次切割的切割線之間的距離。

上述步驟(2)中，所述確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最小寬度的依據(jù)為：第N次切割后，當(dāng)與第N-1次切割后相比殘余應(yīng)力變化不大于20MPa時(shí)，將第N次切割后的剩余寬度的2倍作為含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最小寬度；所述第N次切割后的剩余寬度是指應(yīng)變片到第N次切割的切割線之間距離，N≥1。

上述步驟(3)中，所述確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最大寬度的依據(jù)為：第N次切割后，與最后一次切割后相比，殘余應(yīng)力變化的差值不大于20MPa時(shí)，將第N次切割后的剩余寬度的2倍作為不含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最大寬度；所述第N次切割后的剩余寬度是指應(yīng)變片到第N次切割的切割線之間距離，N≥1；所述最后一次切割即切割后的剩余寬度為零。

采用上述方法制備了所述含殘余應(yīng)力和不含殘余應(yīng)力的兩種疲勞試樣，將其應(yīng)用于研究殘余應(yīng)力對(duì)板狀焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

本發(fā)明制備的板狀焊接構(gòu)件疲勞試樣，用于研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)試樣疲勞性能的影響。試樣尺寸(寬度)適當(dāng)，制備重復(fù)性好，適用于常用的疲勞試驗(yàn)機(jī)，含殘余應(yīng)力試樣中殘余應(yīng)力大小與焊接構(gòu)件中相當(dāng)，不含殘余應(yīng)力試樣中殘余應(yīng)力已基本釋放。

附圖說明

圖1是板狀焊接構(gòu)件示意圖。

圖2是焊接構(gòu)件切割位置及殘余應(yīng)力測(cè)試位置示意圖。

圖3是實(shí)施例1的殘余應(yīng)力變化測(cè)試結(jié)果。

圖4是實(shí)施例2的殘余應(yīng)力變化測(cè)試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。

本發(fā)明為板狀焊接構(gòu)件疲勞試樣的制備方法和應(yīng)用，疲勞試樣取樣于板狀焊接構(gòu)件，焊接構(gòu)件如圖1所示，其中W為構(gòu)件總寬度。該制備方法具體包括如下步驟：

1)在板狀焊接構(gòu)件上粘貼應(yīng)變片：在焊縫處及焊縫兩側(cè)粘貼應(yīng)變片。

2)確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣最小寬度：沿垂直于焊縫方向?qū)附訕?gòu)件進(jìn)行逐條切割，記錄每次切割殘余應(yīng)力發(fā)生變化情況，當(dāng)某次切割前后殘余應(yīng)力變化值不大于20MPa時(shí)，將該次切割后的剩余寬度的2倍作為含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最小寬度，剩余寬度是指應(yīng)變片到該次切割的切割線之間距離。

3)確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣最大寬度：沿垂直于焊縫方向?qū)附訕?gòu)件進(jìn)行逐條切割，記錄每次切割后殘余應(yīng)力變化，當(dāng)切割到試樣上測(cè)試點(diǎn)(即應(yīng)變片)的殘余應(yīng)力基本釋放時(shí)，即切割后殘余應(yīng)力變化與最后一次切割變化的差值不大于20MPa時(shí)，將此次切割后的剩余寬度的2倍作為不含殘余應(yīng)力疲勞試樣的最大寬度，剩余寬度是指應(yīng)變片到該次切割的切割線之間距離，最后一次切割是指切割后的剩余寬度為0。

(4)根據(jù)所確定的疲勞試樣最大寬度和最小寬度制備出含殘余應(yīng)力和不含殘余應(yīng)力的兩種疲勞試樣，并可進(jìn)一步應(yīng)用于研究殘余應(yīng)力對(duì)板狀焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，選用由兩塊2mm厚的EN1.4318-2G不銹鋼板焊接而成的激光搭接焊接構(gòu)件作為實(shí)施對(duì)象。具體過程如下：

1)粘貼應(yīng)變片

如圖2所示，在距離構(gòu)件邊緣W₀為55mm處的焊縫和焊縫兩側(cè)粘貼應(yīng)變片焊縫兩側(cè)應(yīng)變片到焊縫的距離為5mm，三個(gè)應(yīng)變片處于同一垂直于焊縫方向的直線上。

2)確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣最小寬度

沿垂直于焊縫方向?qū)?gòu)件進(jìn)行逐條切割，第1次切割到第N次切割的寬度依次為W₁、W₂、……、W_n，本實(shí)施例中W₁＝15mm、W₂＝15mm、W₃＝15mm、W₄＝5mm……，記錄每次切割后殘余應(yīng)力釋放值。如圖3所示，第一次切割后，測(cè)量點(diǎn)距邊緣距離為40mm，焊縫上的測(cè)量點(diǎn)1殘余應(yīng)力釋放了10MPa，第二次切割后殘余應(yīng)力釋放了35MPa。距離焊縫5mm的測(cè)量點(diǎn)2和測(cè)量點(diǎn)3，縱向(焊縫方向)殘余應(yīng)力變化不明顯。因此根據(jù)殘余應(yīng)力釋放值確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣最小寬度為80mm。

3)確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣最大寬度

如圖3所示，測(cè)量點(diǎn)1距邊緣5mm時(shí)應(yīng)力釋放值為135MPa，完全釋放時(shí)(距邊緣0mm)應(yīng)力釋放值為153MPa，兩者差值為18MPa，小于20MPa，所以確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣最大寬度為10mm。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，選用由1.5mm厚的SUS301-HT和0.8mm厚的SUS301-DLT不銹鋼板焊接而成的激光搭接焊接構(gòu)件作為實(shí)施對(duì)象。具體過程如下：

1)粘貼應(yīng)變片

如圖2所示，在距離構(gòu)件邊緣W₀為55mm處的焊縫和焊縫兩側(cè)5mm處粘貼應(yīng)變片，三個(gè)應(yīng)變片處于同一垂直于焊縫方向的直線上。

2)確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣最小寬度

沿垂直于焊縫方向?qū)?gòu)件進(jìn)行逐條切割，第1次切割到第N次切割的寬度依次為W₁、W₂、……、W_n，本實(shí)施例中W₁＝15mm、W₂＝15mm、W₃＝15mm、W₄＝5mm……，記錄每次切割后殘余應(yīng)力釋放值。如圖4所示，第一次切割后，測(cè)量點(diǎn)距邊緣距離為40mm，點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3的殘余應(yīng)力均釋放了不到20MPa，第二次切割后點(diǎn)1和點(diǎn)3殘余應(yīng)力釋放了60MPa，點(diǎn)2殘余應(yīng)力釋放了30MPa。因此根據(jù)殘余應(yīng)力釋放值確定含殘余應(yīng)力疲勞試樣最小寬度為80mm。

3)確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣最大寬度

如圖4所示，測(cè)量點(diǎn)1距邊緣5mm時(shí)應(yīng)力釋放值為143MPa，完全釋放時(shí)(距邊緣0mm)應(yīng)力釋放值為155MPa，兩者差值為12MPa，小于20MPa，所以確定不含殘余應(yīng)力疲勞試樣最大寬度為10mm。