一种板状焊接构件疲劳试样的制备方法和应用与流程

本发明涉及材料分析测试技术领域，具体涉及一种板状焊接构件疲劳试样的制备方法和应用。

背景技术：

在焊接过程中，材料经常由于不均匀的受热和变形而在构件中产生焊接残余应力。焊接残余应力对焊接构件疲劳性能的影响是国内外学者研究的热点问题。早期的研究认为焊接残余应力对焊接构件疲劳性能的影响可以忽略，但是后期学者的研究却得到相反的结论。后期研究者指出，早期疲劳实验中焊接残余应力对疲劳强度影响有限的主要原因为实验采用小尺寸试样，其中的残余应力值较小。一些学者采用含较高残余应力水平的试样进行研究表明高残余拉应力会明显降低构件的疲劳强度。然而，受实际疲劳实验设备所限，疲劳试样尺寸不能很大。因此，为了保证实验顺利进行，同时又保留焊接构件中的残余应力，需要确定含残余应力疲劳试样的最小尺寸。与此同时，为了对比研究残余应力对焊接构件疲劳性能的影响，需要确定不含残余应力疲劳试样的最大尺寸。

目前关于板状焊接构件疲劳性能的实验研究主要采用从焊接构件上切取或焊接小试样的方法。然而已有的疲劳标准中规定的试样尺寸没有考虑制备的试样中残余应力对实验结果的影响。对于板状连续焊缝焊接构件的疲劳试样尺寸的确定还没有相应的标准，只有点焊疲劳标准可作为参考。标准ISO 14324-2003(Resistance spot welding-Destructive tests of welds-Method for the fatigue testing of spot welded joints)中规定：当板厚为0.5mm-1.5mm时，点焊接头剪切疲劳试样宽度为45mm；当板厚为1.5mm-3mm时，点焊接头剪切疲劳试样宽度为60mm。

综上所述，研究残余应力对板状焊接构件疲劳寿命的影响需要在构件上合理取样。试样尺寸过小残余应力将释放，试样尺寸过大虽然保存了残余应力但是将导致选择实验设备难度大，实验成本增高。因此，有必要发明一种板状焊接构件疲劳试样制备方法，使研究人员可以通过改变试样尺寸获得有残余应力和无残余应力的疲劳试样。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种板状焊接构件疲劳试样的制备方法和应用，该方法制备的试样尺寸适当，制备重复性好，适用于常用的疲劳试验机，应用于研究焊接残余应力对试样疲劳性能的影响。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种板状焊接构件疲劳试样的制备方法，所述疲劳试样取样于板状焊接构件，该方法首先分别确定含残余应力的疲劳试样的最小宽度以及不含残余应力的疲劳试样的最大宽度，然后按所确定的宽度制备出含残余应力和不含残余应力的两种疲劳试样；所述含残余应力的疲劳试样的最小宽度以及不含残余应力的疲劳试样的最大宽度的确定过程包括如下步骤：

1)在板状焊接构件上粘贴应变片：应变片粘贴在焊缝处及焊缝两侧；

2)确定含残余应力疲劳试样的最小宽度：沿垂直于焊缝方向对焊接构件进行逐条切割，切割过程是从焊件端部依次向应变片位置平移；记录每次切割后残余应力变化，通过残余应力变化确定能够保留构件残余应力的最小试样宽度；

3)确定不含残余应力疲劳试样的最大宽度：沿垂直于焊缝方向对焊接构件进行逐条切割，切割过程是从焊件端部依次向应变片位置平移；记录每次切割后残余应力变化，通过残余应力变化确定残余应力基本释放时的疲劳试样最大宽度。

上述步骤(1)中，所述板状焊接构件是将两块板材通过搭接、对接或角接的方式焊接而成。

上述步骤(1)中，所述应变片的粘贴位置与构件上切割开始端的距离大于50mm，焊缝及焊缝两侧所粘贴的应变片位于同一直线上，且该直线垂直于焊缝方向；焊缝两侧所粘贴的应变片到焊缝所在直线的距离为1-10mm。

上述步骤(2)和步骤(3)中，所述逐条切割每次的切割宽度为5mm-50mm之间，切割宽度是指相邻两次切割的切割线之间的距离。

上述步骤(2)中，所述确定含残余应力疲劳试样的最小宽度的依据为：第N次切割后，当与第N-1次切割后相比残余应力变化不大于20MPa时，将第N次切割后的剩余宽度的2倍作为含残余应力疲劳试样的最小宽度；所述第N次切割后的剩余宽度是指应变片到第N次切割的切割线之间距离，N≥1。

上述步骤(3)中，所述确定不含残余应力疲劳试样的最大宽度的依据为：第N次切割后，与最后一次切割后相比，残余应力变化的差值不大于20MPa时，将第N次切割后的剩余宽度的2倍作为不含残余应力疲劳试样的最大宽度；所述第N次切割后的剩余宽度是指应变片到第N次切割的切割线之间距离，N≥1；所述最后一次切割即切割后的剩余宽度为零。

采用上述方法制备了所述含残余应力和不含残余应力的两种疲劳试样，将其应用于研究残余应力对板状焊接构件疲劳寿命的影响。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明制备的板状焊接构件疲劳试样，用于研究焊接残余应力对试样疲劳性能的影响。试样尺寸(宽度)适当，制备重复性好，适用于常用的疲劳试验机，含残余应力试样中残余应力大小与焊接构件中相当，不含残余应力试样中残余应力已基本释放。

附图说明

图1是板状焊接构件示意图。

图2是焊接构件切割位置及残余应力测试位置示意图。

图3是实施例1的残余应力变化测试结果。

图4是实施例2的残余应力变化测试结果。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明为板状焊接构件疲劳试样的制备方法和应用，疲劳试样取样于板状焊接构件，焊接构件如图1所示，其中W为构件总宽度。该制备方法具体包括如下步骤：

1)在板状焊接构件上粘贴应变片：在焊缝处及焊缝两侧粘贴应变片。

2)确定含残余应力疲劳试样最小宽度：沿垂直于焊缝方向对焊接构件进行逐条切割，记录每次切割残余应力发生变化情况，当某次切割前后残余应力变化值不大于20MPa时，将该次切割后的剩余宽度的2倍作为含残余应力疲劳试样的最小宽度，剩余宽度是指应变片到该次切割的切割线之间距离。

3)确定不含残余应力疲劳试样最大宽度：沿垂直于焊缝方向对焊接构件进行逐条切割，记录每次切割后残余应力变化，当切割到试样上测试点(即应变片)的残余应力基本释放时，即切割后残余应力变化与最后一次切割变化的差值不大于20MPa时，将此次切割后的剩余宽度的2倍作为不含残余应力疲劳试样的最大宽度，剩余宽度是指应变片到该次切割的切割线之间距离，最后一次切割是指切割后的剩余宽度为0。

(4)根据所确定的疲劳试样最大宽度和最小宽度制备出含残余应力和不含残余应力的两种疲劳试样，并可进一步应用于研究残余应力对板状焊接构件疲劳寿命的影响。

实施例1

本实施例中，选用由两块2mm厚的EN1.4318-2G不锈钢板焊接而成的激光搭接焊接构件作为实施对象。具体过程如下：

1)粘贴应变片

如图2所示，在距离构件边缘W₀为55mm处的焊缝和焊缝两侧粘贴应变片焊缝两侧应变片到焊缝的距离为5mm，三个应变片处于同一垂直于焊缝方向的直线上。

2)确定含残余应力疲劳试样最小宽度

沿垂直于焊缝方向对构件进行逐条切割，第1次切割到第N次切割的宽度依次为W₁、W₂、……、W_n，本实施例中W₁＝15mm、W₂＝15mm、W₃＝15mm、W₄＝5mm……，记录每次切割后残余应力释放值。如图3所示，第一次切割后，测量点距边缘距离为40mm，焊缝上的测量点1残余应力释放了10MPa，第二次切割后残余应力释放了35MPa。距离焊缝5mm的测量点2和测量点3，纵向(焊缝方向)残余应力变化不明显。因此根据残余应力释放值确定含残余应力疲劳试样最小宽度为80mm。

3)确定不含残余应力疲劳试样最大宽度

如图3所示，测量点1距边缘5mm时应力释放值为135MPa，完全释放时(距边缘0mm)应力释放值为153MPa，两者差值为18MPa，小于20MPa，所以确定不含残余应力疲劳试样最大宽度为10mm。

实施例2

本实施例中，选用由1.5mm厚的SUS301-HT和0.8mm厚的SUS301-DLT不锈钢板焊接而成的激光搭接焊接构件作为实施对象。具体过程如下：

1)粘贴应变片

如图2所示，在距离构件边缘W₀为55mm处的焊缝和焊缝两侧5mm处粘贴应变片，三个应变片处于同一垂直于焊缝方向的直线上。

2)确定含残余应力疲劳试样最小宽度

沿垂直于焊缝方向对构件进行逐条切割，第1次切割到第N次切割的宽度依次为W₁、W₂、……、W_n，本实施例中W₁＝15mm、W₂＝15mm、W₃＝15mm、W₄＝5mm……，记录每次切割后残余应力释放值。如图4所示，第一次切割后，测量点距边缘距离为40mm，点1、点2和点3的残余应力均释放了不到20MPa，第二次切割后点1和点3残余应力释放了60MPa，点2残余应力释放了30MPa。因此根据残余应力释放值确定含残余应力疲劳试样最小宽度为80mm。

3)确定不含残余应力疲劳试样最大宽度

如图4所示，测量点1距边缘5mm时应力释放值为143MPa，完全释放时(距边缘0mm)应力释放值为155MPa，两者差值为12MPa，小于20MPa，所以确定不含残余应力疲劳试样最大宽度为10mm。