阿尔托大学的Abinab Niraula等人在国际杂志Welding in the World上发表文章Local weld geometry-based characterization of fatigue strength in laser-MAG hybrid welded joints.
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论文导读
自上世纪90年代以来，数值模拟在探究焊缝下切参数对疲劳性能的影响方面发挥了重要作用。尽管这些模拟提供了大量有价值的信息，但由于焊缝几何测量方法的限制，其实验验证一直是个挑战。进入21世纪，高分辨率、高精度的光学测量系统的发展，使得焊缝几何形状的准确测量成为可能，包括焊缝长度沿线的随机变化。近年来，这些技术被广泛应用于研究焊缝几何参数对疲劳性能的影响，为焊接工程设计和质量控制提供了新的视角和工具。
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全文概论
本研究利用高分辨率三维扫描和疲劳断裂测试技术，深入探究了激光复合对接焊缝中局部焊缝缺口参数对疲劳裂纹萌生位置的影响。通过详细分析不同局部几何焊缝缺口参数，以了解其表征疲劳强度方面的适用性，并着重指出了当前在测量这些参数时面临的挑战。研究发现，焊缝缺口形状存在显著波动，这导致了在短距离内缺口参数出现较大变化。值得注意的是，在某些情况下，疲劳裂纹从半径较大的缺口处萌生，这与基于先前研究的预期结果相悖。本研究的结果进一步表明，焊缝凹陷深度可作为高质量激光-MAG复合焊缝疲劳强度的一个有效指标。
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图文解析
图1为本研究中两个系列（A、B）激光-MAG复合焊缝的宏观截面。
图1. 两种疲劳试样几何形状，以及两个焊缝的截面。
为了深入分析，选取了具有明显缺口的2D轮廓的焊缝段进行研究。随后，借助MatLab半自动程序，准确测量了这些二维截面的下切深度（d）、焊缝缺口半径（r）以及焊缝侧面角（θ），具体如图2所示。
图2. (a) LCI扫描焊缝的3D模型 (b)缺口缺陷的3D模型 (c)破坏性方法的焊缝缺口轮廓 (d)LCI扫描中提取的焊缝缺口轮廓。
两种焊缝缺口半径和侧面角分布相似，平均值无明显差异，如图3所示。然而，在咬边深度方面，两种焊缝却呈现出显著的差异。具体来说，A系列焊缝的平均缺口深度几乎是B系列焊缝的3倍，这一显著差异反映出两者在疲劳性能上的不同表现。
图3. 两种焊缝的凹陷深(d)、缺口半径(r)、侧翼角(θ)和d/r分布。
单个试样的断口分析表明，尽管其他地方存在更尖锐的缺口半径，但是初级疲劳裂纹是从最深的缺口或其附近开始的。此外，如图4所示的缺口深度等高线图也显示，二次裂纹的起裂位置同样出现在局部焊缝缺口较深的相邻区域。
图4. 试件的断口断面显示疲劳裂纹萌生部位。
研究结果表明，试样中最深的焊缝缺口始终是疲劳裂纹最关键的萌生点，而非最尖锐的半径处或最大的侧面角位置。特别值得注意的是，在图5中展示的两个异常疲劳裂纹萌生案例（A-02和B-02）中，裂纹都在相对较浅的缺口深度处产生。
图5. 异常裂纹萌生的断口图及缺口深度轮廓。
为了深入探究疲劳临界缺口中焊缝缺口参数之间的关系及其发生情况，研究者们进行了统计相关分析，如图6所示。在此次分析中，研究者定义了所选位置焊缝缺口的轮廓，该轮廓基于从每个横截面测量的局部焊缝缺口参数组合。通过对测量结果的研究，进一步探讨了缺口深度、缺口半径以及侧面角这三个参数在组合中的各自分布情况，以期揭示它们之间的潜在相关性。
图6. 焊缝缺口参数在各自组合中的分布。
图7显示了对一个测试样品中，所有焊缝与基材之间的过渡区域测量得到的凹陷深度、凹陷半径和侧面角度。观察发现，尽管不同的过渡区域具有相似的局部焊缝参数分布，但当我们将多个过渡区域的数据整合在一起时，个别过渡区域的平均值和范围的变化会显著影响测量参数的分布。这种影响在焊缝凹陷深度和侧面角度中尤为突出。
图7. 试样测量凹陷深度、缺口半径和侧面角。
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总结
初次疲劳裂纹通常出现在最深的缺口处，而非最尖锐的半径位置。同时，其平均值能有效地反映疲劳性能，因此，研究者们发现这种表征方法适用于基于疲劳强度的焊缝表征。此外，由于较深的缺口往往具有更尖锐的半径，可以利用缺口深度标准将那些对疲劳强度影响较小的钝缺口排除在表征之外。这一方法不仅大幅减少了需要分析的数据量，还极大地缩短了基于局部几何特征的疲劳强度表征的分析时间，为在工业应用中实现高分辨率焊接缺口的质量控制开辟了新的可能性。
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论文链接：
https://doi.org/10.1007/s40194-023-01488-5
来自：高能束加工技术
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