阿爾托大學的Abinab Niraula等人在國際雜志Welding in the World上發表文章Local weld geometry-based characterization of fatigue strength in laser-MAG hybrid welded joints.
Laser & Electron Beam Processing
01
論文導讀
自上世紀90年代以來，數值模拟在探究焊縫下切參數對疲勞性能的影響方面發揮了重要作用。盡管這些模拟提供了大量有價值的資訊，但由于焊縫幾何測量方法的限制，其實驗驗證一直是個挑戰。進入21世紀，高分辨率、高精度的光學測量系統的發展，使得焊縫幾何形狀的準确測量成為可能，包括焊縫長度沿線的随機變化。近年來，這些技術被廣泛應用于研究焊縫幾何參數對疲勞性能的影響，為焊接工程設計和品質控制提供了新的視角和工具。
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02
全文概論
本研究利用高分辨率三維掃描和疲勞斷裂測試技術，深入探究了雷射複合對接焊縫中局部焊縫缺口參數對疲勞裂紋萌生位置的影響。通過詳細分析不同局部幾何焊縫缺口參數，以了解其表征疲勞強度方面的适用性，并着重指出了目前在測量這些參數時面臨的挑戰。研究發現，焊縫缺口形狀存在顯著波動，這導緻了在短距離内缺口參數出現較大變化。值得注意的是，在某些情況下，疲勞裂紋從半徑較大的缺口處萌生，這與基于先前研究的預期結果相悖。本研究的結果進一步表明，焊縫凹陷深度可作為高品質雷射-MAG複合焊縫疲勞強度的一個有效名額。
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03
圖文解析
圖1為本研究中兩個系列（A、B）雷射-MAG複合焊縫的宏觀截面。
圖1. 兩種疲勞試樣幾何形狀，以及兩個焊縫的截面。
為了深入分析，選取了具有明顯缺口的2D輪廓的焊縫段進行研究。随後，借助MatLab半自動程式，準确測量了這些二維截面的下切深度（d）、焊縫缺口半徑（r）以及焊縫側面角（θ），具體如圖2所示。
圖2. (a) LCI掃描焊縫的3D模型 (b)缺口缺陷的3D模型 (c)破壞性方法的焊縫缺口輪廓 (d)LCI掃描中提取的焊縫缺口輪廓。
兩種焊縫缺口半徑和側面角分布相似，平均值無明顯差異，如圖3所示。然而，在咬邊深度方面，兩種焊縫卻呈現出顯著的差異。具體來說，A系列焊縫的平均缺口深度幾乎是B系列焊縫的3倍，這一顯著差異反映出兩者在疲勞性能上的不同表現。
圖3. 兩種焊縫的凹陷深(d)、缺口半徑(r)、側翼角(θ)和d/r分布。
單個試樣的斷口分析表明，盡管其他地方存在更尖銳的缺口半徑，但是初級疲勞裂紋是從最深的缺口或其附近開始的。此外，如圖4所示的缺口深度等高線圖也顯示，二次裂紋的起裂位置同樣出現在局部焊縫缺口較深的相鄰區域。
圖4. 試件的斷口斷面顯示疲勞裂紋萌生部位。
研究結果表明，試樣中最深的焊縫缺口始終是疲勞裂紋最關鍵的萌生點，而非最尖銳的半徑處或最大的側面角位置。特别值得注意的是，在圖5中展示的兩個異常疲勞裂紋萌生案例（A-02和B-02）中，裂紋都在相對較淺的缺口深度處産生。
圖5. 異常裂紋萌生的斷口圖及缺口深度輪廓。
為了深入探究疲勞臨界缺口中焊縫缺口參數之間的關系及其發生情況，研究者們進行了統計相關分析，如圖6所示。在此次分析中，研究者定義了所選位置焊縫缺口的輪廓，該輪廓基于從每個橫截面測量的局部焊縫缺口參數組合。通過對測量結果的研究，進一步探讨了缺口深度、缺口半徑以及側面角這三個參數在組合中的各自分布情況，以期揭示它們之間的潛在相關性。
圖6. 焊縫缺口參數在各自組合中的分布。
圖7顯示了對一個測試樣品中，所有焊縫與基材之間的過渡區域測量得到的凹陷深度、凹陷半徑和側面角度。觀察發現，盡管不同的過渡區域具有相似的局部焊縫參數分布，但當我們将多個過渡區域的資料整合在一起時，個别過渡區域的平均值和範圍的變化會顯著影響測量參數的分布。這種影響在焊縫凹陷深度和側面角度中尤為突出。
圖7. 試樣測量凹陷深度、缺口半徑和側面角。
04
總結
初次疲勞裂紋通常出現在最深的缺口處，而非最尖銳的半徑位置。同時，其平均值能有效地反映疲勞性能，是以，研究者們發現這種表征方法适用于基于疲勞強度的焊縫表征。此外，由于較深的缺口往往具有更尖銳的半徑，可以利用缺口深度标準将那些對疲勞強度影響較小的鈍缺口排除在表征之外。這一方法不僅大幅減少了需要分析的資料量，還極大地縮短了基于局部幾何特征的疲勞強度表征的分析時間，為在工業應用中實作高分辨率焊接缺口的品質控制開辟了新的可能性。
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論文連結：
https://doi.org/10.1007/s40194-023-01488-5
來自：高能束加工技術
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