镁/铝合金焊接接头疲劳评定的热点应力法研究

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基于轻质高强、资源丰富、易于回收利用等一系列优点,镁合金和铝合金材料在焊接结构领域得到越来越广泛的应用。有关资料显示,在焊接结构失效事例中,70%-90%的事故是由于焊接接头的疲劳断裂造成的,因此,焊接接头是决定焊接结构疲劳性能的关键部位。所以,研究镁合金和铝合金焊接接头疲劳评定方法对于焊接结构的安全性具有重要的理论意义和应用价值。本文主要对AZ31B镁合金常用焊接接头进行热点应力疲劳评定研究,对5A06铝合金焊接接头进行热点应力和体积法评定研究,对两种评定方法结果进行对比,最后将AZ31B镁合金和5A06铝合金焊接接头在不同评定方法下的疲劳性能进行比较分析。研究表明,对AZ31B镁合金的对接接头、横向十字接头、纵向十字接头和侧面连接接头四种焊接接头试验数据直接拟合得到的名义应力S-N曲线斜率m分别为4.49、3.39、3.37和2.61,N=2×106次循环时的特征疲劳强度分别为34.75 MPa、19.31 MPa、25.30MPa和23.51MPa;热点应力S-N曲线斜率m分别为4.47、3.45、3.39和2.64,N=2×106次循环时的疲劳强度分别为42.07MPa、29.27MPa、37.8MPa和36.01MPa;将AZ31B镁合金的四种接头形式的热点应力疲劳强度用一条S-N曲线表示,曲线斜率m=3.22,试验特征S-N曲线为lgN=11.15-3.22lg△σ, N=2x106次循环时的疲劳强度为32.05 MPa,高于用国际焊接学会(IIW)推荐m=3处理得到的31.60 MPa。对5A06铝合金对接接头、横向十字接头和纵向十字接头三种焊接接头试验数据直接拟合得到的名义应力S-N曲线斜率m分别为6.78、6.96和3.77,N=2×106次循环时的特征疲劳强度分别为59.45MPa、50.90MPa和33.08MPa;热点应力S-N曲线斜率分别为6.54、6.95和3.79,N=2×106次循环时的特征疲劳强度分别为67.87 MPa、61.83 MPa和47.91 MPa;将5A06铝合金三种接头形式的热点应力疲劳强度用一条S-N曲线表示,S-N曲线斜率m=5.98,试验特征S-N曲线为lgN=16.67-5.98lg△σ,N=2x106次循环时的疲劳强度为54.19 MPa,高于用国际焊接学会(IIW)推荐m=3处理得到的40.09MPa。采用体积法对5A06铝合金横向十字接头和纵向十字接头进行疲劳评定,S-N曲线斜率分别为5.87和4.77,N=2×106次循环时的疲劳强度分别为103.96 MPa和91.80 MPa,平均值为97.88 MPa;疲劳缺口缩减系数,横向十字接头接头:Kf=1.754~1.951,纵向十字接头:Kf=1.819~2.310。用热点应力法和体积法评定后,数据分散性明显减小,相关系数R分别提高了15.95%和16.29%,两种评定方法偏差不是很大。AZ31B镁合金三种焊接接头的名义应力和热点应力疲劳强度比5A06铝合金相应焊接接接头的疲劳强度要低。除AZ31B镁合金的侧面连接接头,AZ31B镁合金和5A06铝合金的对接接头、横向十字接头和纵向十字接头六种焊接接头形式对试验数据直接拟合的名义应力和热点应力S-N曲线斜率都大于国际焊接学会IIW推荐的m=3,N=2×106次循环时的疲劳强度都高于用m=3得到的疲劳强度FAT。此外,5A06铝合金焊接接头的疲劳性能基本符合国际焊接学会推荐的标准。上述研究为镁合金标准的制定提供了理论依据。综上所述,对于AZ31B镁合金和5A06铝合金焊接接头,名义应力疲劳强度只能根据不同接头形式用不同的S-N曲线来表示,而其热点应力和体积法疲劳强度可用一条S-N曲线表示,大大减小了焊接接头按疲劳强度划分的级别,这简化镁合金和铝合金焊接接头的疲劳评定,有利于焊接结构的设计、制造和安全使用。
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