等离子喷熔修形提高焊接接头疲劳性能研究

摘要

等离子喷熔修形(Modification of Plasma Spurt Spraying---MPSS)作为一种新的提高焊接接头疲劳强度的方法被提出，在焊缝表面覆盖一层完全冶金结合的高曲率半径且表面光滑的喷熔涂层，使其在焊趾处形成圆滑的过渡，降低了应力集中，从而显著提高焊接接头的疲劳性能。
　　本文以Q235B钢十字焊接接头为研究对象，对比分析了TIG熔修接头、超声冲击处理接头、氧-乙炔火焰喷熔修形(Modification of Oxygen-acetylene Spurt Spraying---MOSS)接头和等离子喷熔修形接头的疲劳性能。观察了氧-乙炔火焰喷熔和等离子喷熔涂层的显微组织及涂层与焊缝的结合情况。采用纳米压痕技术分析了喷熔涂层及过渡区域材料的力学性能。研制了能够在接头表面形成残余压缩应力的低相变点等离子喷熔粉末。采用通用有限元分析软件ANSYS对原始焊态接头、常规粉末喷熔修形接头、低相变点合金粉末熔修接头及低相变点合金粉末喷熔修形接头进行了温度场和应力场的模拟。
　　性能试验表明：正交试验设计获得了等离子喷熔修形的最优工艺参数，保证了等离子喷熔涂层与焊缝的冶金结合。Ni65Cr16B3.1Si4.5粉末等离子喷熔涂层中存在硬度高、韧性差的硬质相，硬质相上的纳米压痕点出现了裂纹，根据裂纹的尺寸确定了硬质相的断裂韧性值。同时，获得了等离子喷熔涂层与焊缝过渡区域材料的本构方程。
　　高周疲劳试验表明：Ni65Cr16B3.1Si4.5粉末氧-乙炔火焰喷熔修形接头在2×106循环周次下的疲劳强度为217MPa,与原始焊态接头相比提高了60.7％。等离子喷熔修形接头在2×106循环周次下的疲劳强度为220MPa,与原始焊态接头相比提高了62.96%。低周疲劳试验表明：相同应力水平下，氧-乙炔火焰喷熔修形接头的低周疲劳寿命为1.0×104至1.3×104循环周次，等离子喷熔修形接头的低周疲劳寿命相比氧-乙炔火焰喷熔修形接头又有所提高，达到了1.5×104至1.7×104循环周次。
　　通过对自制的三种低相变点等离子喷熔粉末喷熔层残余应力、冲击韧性、硬度、相组织的分析，获得了主要成分为5Cr-8Ni，同时外加Cu及稀土元素的低相变点合金系统。
　　采用模拟焊接温度场及应力场的方法模拟了低相变点等离子喷熔修形接头的温度场和残余应力场分布。结果表明，低相变点等离子喷熔修形接头焊趾区存在一定范围的残余压缩应力，这一残余压缩应力的存在使得低相变点等离子喷熔修形接头的疲劳强度进一步提高，与疲劳测试结果相符合。

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第一章 绪 论

1.1选题意义及背景

1.2焊接结构疲劳强度的主要影响因素

1.3改善焊接结构疲劳强度的措施和方法

1.4涂层力学性能研究方法

1.5焊接接头残余应力

1.6本课题研究方向的提出

1.7本文的研究内容

第二章 等离子喷熔修形工艺的研究

2.1喷熔修形法

2.2氧-乙炔火焰喷熔修形十字焊接接头工艺研究

2.3等离子喷熔工艺研究

2.4等离子喷熔层可能出现的裂纹问题

2.5十字焊接接头等离子喷熔修形工艺研究

2.6本章小结

第三章 喷熔层及过渡区域的综合性能研究

3.1氧-乙炔火焰喷熔试样宏微观形貌分析

3.2等离子喷熔修形试样宏微观形貌分析

3.3基于纳米压痕的喷熔层与基体过渡区域的力学性能研究

3.4本章小结

第四章 疲劳试验及机理研究

4.1焊态、超声冲击、TIG熔修疲劳试样的制备

4.2高周疲劳性能测试方法及统计方法

4.3高周疲劳试验结果及分析

4.4喷熔修形提高高周疲劳强度的机理分析

4.5喷熔修形接头的低周疲劳性能

4.6喷熔修形提高焊接接头低周疲劳寿命的机理分析

4.7本章小结

第五章 低相变点等离子喷熔粉末的研制

5.1低相变点等离子喷熔粉末研制的理论依据

5.2合金成分对马氏体相变起始点Ms的影响

5.3低相变点等离子喷熔粉末合金体系的选择

5.4约束条件下不同粉末喷熔层残余应力的计算

5.5等离子喷熔层残余应力测试

5.6本章小结

第六章 数值模拟等离子喷熔修形焊接接头残余应力分布

6.1数学模型

6.2有限元模型的建立

6.3温度场的模拟

6.4应力场的模拟

6.5低相变点喷熔修形接头的疲劳寿命

6.6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