高强钢焊接接头断裂试样疲劳裂纹预制方法

摘要

本发明提供了一种高强钢焊接接头断裂试样疲劳裂纹预制方法，包括：步骤一，提供具有长度、宽度和厚度的试样，其中由所述长度和厚度所界定的第一试样表面上开设有机械缺口；步骤二，在所述机械缺口的尖端进行局部压缩，所述局部压缩中加载的载荷沿所述厚度的方向；步骤三，对所述试样进行疲劳试验加载，至所述机械缺口的尖端出现疲劳裂纹；步骤四，对所述试样进行反向弯曲加载；步骤五，再次对所述机械缺口的尖端进行局部压缩，并再次对所述试样进行疲劳试验加载至所述疲劳裂纹扩展第一预设长度，再次对所述试样进行反向弯曲加载；步骤六，重复所述步骤五多次。本发明能够有效地保证疲劳裂纹前沿平直，从而保证制备试样的合格率。

说明书

技术领域

本发明涉及高强钢的断裂韧性测试，尤其涉及一种高强钢焊接接头断裂试样 疲劳裂纹预制方法。

背景技术

随着海洋资源的不断开发，海洋钢结构和海洋装备日益重要。海洋钢结构在 低温、海浪等恶劣的环境条件下，易发生低应力突然破坏，破坏之前难以发现及预 防，后果非常严重。

海洋钢结构是典型的大型焊接结构，多采用大厚板，在大厚板多层多道焊的 生产制造及服役期间中焊接接头处最易产生脆性断裂。因此，海洋钢结构大厚板焊 接接头除了要求具有足够高的强度和良好的耐腐蚀性外，还需要具有良好的韧性。 近年来，随着断裂力学在海洋工程中的应用，大厚板焊接接头断裂韧性的重要性日 益凸显。

海洋钢结构用钢强度越来越高，厚度越来越大，大厚板超高强钢焊接接头的 断裂韧性测试问题日益突出。目前，焊接接头断裂韧性测试方法多采用标准BS7448 part1和BS7448part2《KIC、临界CTOD、临界J积分测试方法》，以及ISO12135 和ISO15653《断裂韧性测试方法》。然而大厚板焊接接头一般采用多层多道焊， 其沿厚度方向的横向残余应力分布在中心是压应力，靠近表面的区域是拉应力。因 此,焊缝断裂韧度试样在预制疲劳裂纹时,靠近表面的区域疲劳裂纹扩展较快，而近 中心部位的疲劳裂纹扩展较慢，有时甚至不扩展，其结果是试样上的疲劳预制裂纹 前沿平直度很低，难以满足试验规范的要求，制备试样的合格率很低，这已成为大 厚板焊接接头断裂韧性测试中的关键性难题。

尽管目前的标准中关于焊接接头断裂试样疲劳裂纹预制方法，提供了局部压 缩、复合应力循环特性法、反向弯曲的方法消除焊接残余应力对预制疲劳裂纹的影 响，然而在大厚板Q690高强钢焊接接头预制疲劳裂纹的过程中，仍难以保证疲劳 裂纹尖端平直。

因此，为了保证大厚板高强钢Q690Mpa焊缝断裂试样获得平直的疲劳预制裂 纹，提高制备焊缝试样的合格率，需要一种新的疲劳裂纹预制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高强钢焊接接头断裂试样疲劳裂纹预制 方法，能够有效地保证疲劳裂纹前沿平直，从而保证制备试样的合格率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高强钢焊接接头断裂试样疲劳裂纹 预制方法，包括：

步骤一，提供具有长度、宽度和厚度的试样，其中由所述长度和厚度所界定 的第一试样表面上开设有机械缺口，该机械缺口沿所述厚度的方向贯穿该试样，该 机械缺口的尖端沿所述宽度的方向深入所述试样；

步骤二，在所述机械缺口的尖端进行局部压缩，所述局部压缩中加载的载荷 沿所述厚度的方向；

步骤三，对所述试样进行疲劳试验加载，至所述机械缺口的尖端出现疲劳裂 纹；

步骤四，对所述试样进行反向弯曲加载；

步骤五，再次对所述机械缺口的尖端进行局部压缩，并再次对所述试样进行 疲劳试验加载至所述疲劳裂纹扩展第一预设长度，再次对所述试样进行反向弯曲加 载；

步骤六，重复所述步骤五多次，至所述疲劳裂纹的总长度扩展至第二预设长 度。

根据本发明的一个实施例，前两次执行步骤五时，所述局部压缩中加载的载 荷相对于步骤二逐次递减80-100kN，后续执行步骤五时，局部压缩中加载的载荷 保持递减后的载荷不变。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二中的疲劳试验加载中加载的载荷为 700-750kN。

根据本发明的一个实施例，对所述试样进行疲劳试验加载包括：在所述机械 缺口两侧的第一试样表面以及第二试样表面上正对该机械缺口的位置处分别加载 载荷，所述第二试样表面位于所述第一试样表面的背面。

根据本发明的一个实施例，使用辊轮在所述机械缺口两侧的第一试样表面以 及所述第二试样表面上正对该机械缺口的位置处分别加载载荷，其中在所述第二试 样表面上正对该机械缺口的位置处加载载荷的辊轮长度为所述试样厚度的3/4。

根据本发明的一个实施例，对所述试样进行反向弯曲加载包括：在所述第一 试样表面上所述机械缺口处以及第二试样表面上该机械缺口的两侧分别加载载荷， 所述第二试样表面位于所述第一试样表面的背面。

根据本发明的一个实施例，使用辊轮在所述第一试样表面上所述机械缺口处 以及所述第二试样表面上该机械缺口的两侧分别加载载荷，其中在所述第一试样表 面上所述机械缺口处加载载荷的辊轮与所述机械缺口之间设置有垫块。

根据本发明的一个实施例，所述反向弯曲加载中加载的载荷为700-900kN，保 载10-20s。

根据本发明的一个实施例，所述第一预设长度为1.5-2mm，所述第二预设长 度为7-8mm。

根据本发明的一个实施例，所述试样的厚度为100-150mm，屈服强度为 690Mpa。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的高强钢焊接接头断裂试样疲劳裂纹预制方法采用复合式循环 法预制疲劳裂纹，也即采用局部压缩、疲劳试验加载、反向弯曲加载的复合循环方 式，增加了中心处疲劳裂纹扩展的速度，保证疲劳裂纹尖端平直。

附图说明

图1是本发明实施例的高强钢焊接接头断裂试样疲劳裂纹预制方法的流程示 意图；

图2是本发明实施例的试样的结构示意图；

图3是本发明实施例对试样进行局部压缩时的结构示意图；

图4是本发明实施例对试样进行疲劳试验加载时的结构示意图；

图5是本发明实施例对试样进行反向弯曲加载时的结构示意图；

图6是本发明实施例的试样的剖面结构示意图。

具体实施方式

大厚板高强钢焊缝预制疲劳裂纹前沿不平直的原因主要是焊接后中心存 在压缩应力，而表面存在拉应力，由于试样厚度大、强度高，采用常规的局部 压缩难以将裂纹尖端表面和内部的残余应力均匀化，因此表面疲劳裂纹扩展 快，中心疲劳裂纹扩展缓慢或不扩展。

由上，本发明提供了一种复合式循环法预制疲劳裂纹，即局部压缩、疲劳 试验加载，反向弯曲加载的复合式循环方式，同时结合专门设计的三点弯曲加 载夹具，增加中心处疲劳裂纹扩展的速度，保证疲劳裂纹尖端平直。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发 明的保护范围。

参考图1，本实施例的疲劳裂纹预制方法包括以下步骤：

在S11处，执行步骤一，提供具有长度、宽度和厚度的试样，其中由所述长 度和厚度所界定的第一试样表面上开设有机械缺口，该机械缺口沿所述厚度的方向 贯穿该试样，该机械缺口的尖端沿所述宽度的方向深入所述试样；

在S12处，执行步骤二，在所述机械缺口的尖端进行局部压缩，所述局部压 缩中加载的载荷沿所述厚度的方向；

在S13处，执行步骤三，对所述试样进行疲劳试验加载，至所述机械缺口的 尖端出现疲劳裂纹；

在S14处，执行步骤四，对所述试样进行反向弯曲加载；

在S15处，执行步骤五，再次对所述机械缺口的尖端进行局部压缩，并再次 对所述试样进行疲劳试验加载至所述疲劳裂纹扩展第一预设长度，再次对所述试样 进行反向弯曲加载；

在S16处，执行步骤六，重复所述步骤五多次，至所述疲劳裂纹的总长度扩 展至第二预设长度。

下面结合图2至图6进行详细说明。

首先参考图2，执行步骤一，提供试样20，该试样20具有长度、宽度W和 厚度B，其中长度和厚度B所界定的第一试样表面上开设有机械缺口21，该机械 缺口21在厚度方向上贯穿试样20，该机械缺口21的尖端沿宽度W的方向深入该 试样20。

该试样20的厚度B为100-150mm，本实施例中具体为150mm。本实施例中 的试样20为Q690高强钢，其屈服强度为690Mpa。

参考图3，执行步骤二，对机械缺口21的尖端进行局部压缩，局部压缩过程 中的载荷F_P方向沿厚度的方向。通过对机械缺口21的尖端进行局部压缩，使得试 样20在机械缺口21的尖端表面和近表面一定深度内出现压应力，有利于减缓表面 裂纹的扩展。

进一步而言，可以采用硬质钢圆柱30在机械缺口21的尖端进行局部压缩， 局部压缩加载的载荷F_P为700-750kN。对于屈服强度为690Mpa、厚度为150mm 的试样20而言，局部压缩加载的载荷F_P为730kN。

参考图4，执行步骤三，对试样20进行疲劳试验加载，至机械缺口21的尖端 出现疲劳裂纹。例如，可以在机械缺口21两侧的第一试样表面加载载荷F/2，在 第一试样表面背面的第二试样表面上正对机械缺口21的位置处加载载荷F。

更进一步而言，可以采用专门设计的三点弯曲加载夹具进行疲劳试验加载， 该三点弯曲加载夹具包括三个辊轮32、33、31，分别在机械缺口21两侧的第一试 样表面、第二试样表面上正对机械缺口21的位置处施加载荷。优选地，第二试样 表面上正对机械缺口21的位置处的辊轮31的长度L₀为3/4B，其中B为试样20 的厚度。该辊轮31仅加载试样厚度3/4的部分，有利于中心裂纹尖端优先扩展， 增大中心裂纹的扩展速度。

对于厚度为150mm、屈服强度为690MPa的试样20，在疲劳试验加载中施加 的载荷F最大是160kN。

参考图5，执行步骤四，在试样20的机械缺口21尖端出现疲劳裂纹时，停止 疲劳试验加载，并对试样20进行反向弯曲加载。例如，可以在第一试样表面上机 械缺口21处加载载荷F_W，在第一试样表面背面的第二试样表面上机械缺口21两 侧分别加载载荷F_W/2。反向弯曲加载使得中心裂纹尖端张开并产生拉应力，促使 中心裂纹在后续的疲劳试验加载中向前扩展。

更进一步而言，可以采用三点弯曲加载夹具进行反向弯曲加载，其中一个辊 轮34设置在第一试样表面上机械缺口21处，另外2个辊轮35、36设置在第二试 样表面上机械缺口21的两侧。在进行反向弯曲加载时，为了防止机械缺口21处被 挤压损坏，可以在该处的辊轮34和试样20之间设置垫块22。

对于厚度为150mm、屈服强度为690MPa的试样20，在反向弯曲加载中施加 的载荷F_W可以是700-900kN，保载10-20s。

参考图6，之后执行步骤五，可以再次进行局部压缩和疲劳试验加载，当机械 缺口21尖端的疲劳裂纹扩展第一预设长度时，再次对试样反向弯曲加载，并重复 这一循环过程多次，直至疲劳裂纹的总长度a_i扩展至第二预设长度。

进一步而言，在前两次执行步骤五时，也即第一次和第二次重复进行局部压 缩时，加载的载荷相对于步骤二逐次递减80-100kN，后续再重复进行局部压缩时 保持递减后的载荷不变。局部压缩导致近表面一定深度出现压应力，表面疲劳裂纹 扩展缓慢，若局部压缩的载荷始终保持在最高值，会导致表面裂纹极难扩展，最终 的疲劳裂纹尖端也会不平直。

例如，在本实施例中，步骤二中局部压缩加载的载荷为730kN，之后在步骤 三中进行疲劳试验加载，在步骤四中进行反向弯曲加载；而在步骤五中再次进行局 部压缩时加载的载荷降低100kN，也即降低至630kN，之后再进行疲劳试验加载， 当疲劳裂纹长度a_i向前扩展第一预设长度时，再次进行反向弯曲；之后再次进行局 部压缩，压缩载荷再次降低100kN，也即降低至530kN，当疲劳裂纹长度a_i向前扩 展第一预设长度时，再次进行反向弯曲；依次循环局部压缩、疲劳试验加载和反向 弯曲加载的过程，但后续局部压缩中加载的载荷不再降低，均保持530kN，直至疲 劳裂纹长度a_i达到第二预设长度，整个预制过程结束。

对于厚度为150mm、屈服强度为690MPa的试样20，第一预设长度优选为 1.5-2mm，第二预设长度优选为7-8mm。

通过上述复合循环预制疲劳裂纹的方法，并采用专门设计的加载夹具的加载 方式，对于厚度150mm、屈服强度690MPa的焊接接头断裂试样，预制的疲劳裂 纹尖端平直，符合相关国际标准的要求。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本 领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修 改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。