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摘要：近些年，国内外出现了很多管线在承受较大塑性变形时发生环焊接头失效的事故。其中很大一部分是由于焊接产生的热影响区强度较低而导致的局部集中变形，最终引起管线的断裂失效。大变形钢管作为一种具有优良变形能力的高强度管道，其环焊接头的质量往往会对整条管线的安装质量和运行寿命产生重要的影响，其环焊接头热影响区软化区的存在会严重影响大变形钢管线优良变形能力的发挥。基于此，本文对热影响区软化焊接接头的强度及变形进行了简要的分析。
关键词：热影响区；软化焊接接头；强度及变形；措施
引言
由于加热及冷却没有达到相对均匀的状态，使焊接接头出现热胀冷缩的情况。车架作为一个整体，每个梁存在着相互联系，相互影响的关系，一定程度上不能很好地进行伸缩，导致焊接接头内出现变形。因此，需加强热影响区软化焊接接头的强度及变形措施研究。
1不同疲劳强度分析方法的差异
对于基于多轴准则的结构疲劳强度评估方法和文献提出的基于单轴等效应力循环的评估方法（以下称为“ERRI方法”），二者之间的差异主要体现在计算方法和对焊接接头抗疲劳特性的规定两个方面。ERRI方法以最大拉伸主应力作为循环最大应力，该应力的方向作为基本方向。在此基础上，将其余各工况下的应力向基本方向投影，以投影后的最小应力作为循环最小应力。当考察区域以拉伸应力为主导，且应力方向与焊缝坐标系坐标轴大致相同时，根据2种方法获得的计算结果差异较小。但是，若考察区域呈现出显著的压缩应力特征，由于数值较大的压缩应力方向多与基本方向垂直，其在基本方向上的投影值甚小，按照ERRI方法获得的循环应力范围将小于压缩应力方向上的应力范围，这将导致根据2种方法获得的节点材料利用度存在显著差异。
不同标准规定的焊接接头抗疲劳特性也存在显著差异。文献[1]将焊接构架焊接接头简单分为对接接头和角接接头2类，并分别给出了各接头的疲劳曲线。根据接头形式和制造工艺的不同，DVS1612标准将车辆承载结构的接头定义为32个等级，并给出了各等级接头的许用应力表达式和疲劳曲线。焊接构架侧梁一般采用钢板拼焊的箱型结构，其侧梁腹板与上、下盖板间的焊接接头定义为C+级。对于横梁与侧梁腹板间的环状接头，标准将其定义为F2级。为进一步研究不同标准下焊接接头疲劳许用应力的差异，将不同标准给出的适用于上述两类焊接接头的正应力MooreKommers-Jasper疲劳曲线绘制于同一坐标图中，如图3所示。对于侧梁腹板与上、下盖板间的焊缝，当应力循环特征值-0.05≤κ≤0.01时，文献[1]规定的循环许用应力略大于依据DVS1612标准确定的许用应力值；对于其余应力循环状态，依据DVS1612标准得到的许用应力则明显大于文献[1]规定的许用应力；DVS1612标准建议，该类接头的对称循环疲劳极限为109.6MPa，较文献[1]给出的角接接头疲劳极限大28.95%。DVS1612标准建议，管形横梁与侧梁腹板间环状接头的对称循环疲劳极限约为40MPa，除根据屈服极限进行修正的区域外，其余区域的疲劳许用应力远低于文献定义的角接接头的相应数值。
2热影响区软化焊接接头变形
应力场中两种方法得到结果分布规律一致，主要作用范围也存在差异。纵向应力主要影响区域为焊缝中间部位的拉应力，而横向应力主要表现为焊缝两端部的压应力，因此，纵向应力的存在会影响焊件的许用应力，横向应力则会对焊件的稳定性产生一定的影响。此外，在焊缝的两端部、近缝区应力存在一定的差异，这是由于板材为热轧态，焊缝垂直于轧向，因此横向应力测试过程中准确性相对于纵向较低。焊件在焊接过程中应变(纵向和横向)主要发生在焊缝区域，这会造成焊缝在冷却至室温后焊缝端部出现挤压现象，在焊缝端部厚度方向上出现约为0．05639mm的高度变化;同时焊件其它部位出现一定程度的收缩，长度方向上收缩值为0．25mm，宽度上为0．4668mm。
3热影响区性能对非匹配焊接接头HAZ裂纹启裂临界应力的影响
3.1热影响区力学性能对非匹配焊接接头
HAZ裂纹启裂临界应力的影响假定焊接接头内焊缝屈服强度一定，改变焊接接头HAZ屈服强度，讨论其对焊接接头HAZ裂纹启裂临界应力的影响。可以看出，无论是低匹配焊缝还是高匹配焊缝的非匹配焊接接头，在焊缝屈服强度相同的情况下，HAZ裂纹材料屈服强度越低，非匹配焊接接头HAZ裂纹启裂的临界应力越小，显示焊接接头的热影响区软化明显降低HAZ的抗裂能力。
3.2热影响区几何性能对非匹配焊接接头HAZ裂纹启裂临界应力的影响
3.2.1在低匹配焊缝的焊接接头中(MW<1)
MH<1(热影响区软化)，在静载相同条件下，热影响区裂纹的临界应力与所受的塑性约束的变形状态有关.在低匹配焊缝的焊接接头中，MH<1热影响区软化，热影响区裂纹的塑性变形处于母材塑性约束和可以向焊缝延伸的变形状态下，随HAZ的变形体增大明显减小了HAZ裂纹启裂临界应力，热影响区裂纹尖端的塑性变形，在其较宽所受的约束要比热影响区的宽度较窄时大，热影响区裂纹的临界应力随着热影响区宽度的增加而降低HAZ的抗裂能力，软化区宽度越大越易启裂.
MH>1(热影响区硬化)，在静载相同条件下，由于热影响区硬化，在低匹配焊接接头中，MH>1热影响区的屈服强度比焊缝、母材的屈服强度大，HAZ裂纹尖端塑性变形可以向接头的焊缝区、母材区延伸，热影响区裂纹尖端的塑性变形处于可以向焊缝和母材延伸的变形状态下，随着热影响区硬化宽度h的增加，热影响区裂纹临界应力越大。
3.2.2在高匹配焊缝的焊接接头中(MW>1)
MH<1(热影响区软化)，在静载相同条件下，力学性能失配接头的有限元计算结果，在高匹配焊缝的焊接接头中，MH<1热影响区软化，热影响区裂纹尖端的塑性变形处于焊缝和母材的双向塑性约束的变形状态下，随HAZ的变形体增大明显降低HAZ的抗裂能力，热影响区裂纹尖端的塑性变形，在其较宽所受的约束要比热影响区宽度较窄时大，随着热影响区宽度h的增加，热影响区的临界应力越小，软化区宽度越大易启裂.
MH>1(热影响区硬化)，在静载相同条件下，力学性能失配接头的有限元计算，热影响区裂纹尖端的塑性变形处于焊缝的塑性约束，另一方面，MH>1HAZ裂尖塑性变形可以向母材延伸.热影响区在受高匹配焊缝的塑性约束和塑性变形可向母材延伸的变形状态下，随HAZ的变形体增大明显降低HAZ的抗裂能力，热影响区裂纹尖端的塑性变形，在其较宽所受的约束要比热影响区的宽度较窄时大，随着热影响区宽度h的增加，热影响区的临界应力越小，硬化区宽度越大越易启裂。在受高匹配焊缝的塑性约束同时，受母材塑性约束的软化区裂纹临界应力比不受母材塑性约束的硬化区裂纹的临界应力小.
结束语
本文主要对热影响区软化焊接接头的强度及变形进行了简要的分析，以供参考。
参考文献：
[1]夏晶宇,张洪伟,王鹏浩,张家齐,汪棣.3003铝合金薄板超高转速搅拌摩擦焊接头的组织与性能[J].理化检验(物理分册),2018,54(07):479-482+507.
[2]谢学涛.超声冲击对P355NL1钢焊接接头超高周疲劳性能的影响[D].华东交通大学,2018.
[3]封亚明.6082铝合金焊接接头疲劳性能的研究[D].华东交通大学,2018.
[4]祁建伟,安博,胡文浩,董波,冯立新,吴立军,张琦超.转向架横向止挡座自动化焊接技术[J].焊接技术,2017,46(10):95-96.
[5].有关铝合金焊接的文献[J].机械制造文摘(焊接分册),2017(05):46-48.