楊思晟,魏玉高,凌 祥

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院,江蘇 南京 211800)

焊接結構是承壓容器、管道等設備的關鍵結構,也是設備安全、穩(wěn)定運行中不可忽視的薄弱環(huán)節(jié)[1]。特別是在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下,焊接接頭失效導致的結構破壞在安全生產問題中占有較大的比例[2]。因此,合理評估焊接結構局部性能,對確保設備的安全可靠服役具有重要意義。然而,焊接過程中不同區(qū)域微觀組織的變化導致其宏觀力學性能呈現(xiàn)一定的差異。而焊后熱處理等手段雖然可以一定程度上消除部分不利因素的影響,但也使得焊接接頭局部性能的變化變得更加不可忽視[3]。相比于傳統(tǒng)均質材料,焊接結構局部區(qū)域較小的體積使得其性能參數(shù)難以通過傳統(tǒng)的標準試驗手段獲取。發(fā)展試樣體積微小的微試樣試驗技術,以準確獲取不同條件下局部區(qū)域的性能參數(shù)就成了近些年來學者們關注的熱點[4-6],其中,較具有代表性的就是小沖孔試驗技術[7-8]。小沖孔試驗通過沖壓試樣而得到不同條件下材料的變形響應,以獲取局部區(qū)域及損傷構件的拉伸、蠕變等性能參數(shù),具有溫度適用范圍廣、試樣體積微小、適用于在役構件性能分析的特點[9-12],為焊接接頭局部性能的評價提供了全新的思路,焊接接頭局部區(qū)域的小沖孔取樣如圖1所示。本文主要針對焊接接頭局部拉伸及蠕變性能的小沖孔試驗研究進行綜述,并分析其不同的應用領域,以期為小沖孔試驗技術發(fā)展提供參考。

圖1 焊接接頭小沖孔取樣示意Fig.1 Schematic of small punch specimen taken from welded structure

1 小沖孔試驗原理

標準拉伸試驗或單軸蠕變試驗采用圓棒或者板狀試樣,而小沖孔試驗多采用直徑≤10 mm、厚度≤0.5 mm的圓形或方形片狀試樣。試驗中,試樣通過上、下模具固定,置于研究所需的環(huán)境中。通過圓形小球或具有半球形壓頭的沖桿,以恒定速率或恒定載荷對試樣進行沖壓[13],試驗原理如圖2所示,隨著試樣的逐步變形獲取其載荷-位移曲線或蠕變撓度-時間曲線,以此為依據(jù)分析材料在不同環(huán)境下的強度、塑性、蠕變等性能參數(shù)[14-16]。

圖2 小沖孔試驗原理示意Fig.2 Schematic of small punch test

2 小沖孔試驗技術在不同焊接結構中的應用

由于試樣體積較大,標準單軸拉伸或蠕變試驗多在加工過程中將所需研究的焊接區(qū)域置于試樣中間部位,以分析不同工況下試樣的變形曲線及失效位置[17]。而小沖孔微試樣試驗技術的優(yōu)點使得其可以針對不同情況下的焊接接頭各區(qū)域展開研究,建立力學性能、微觀組織、損傷狀態(tài)等之間的聯(lián)系,進而實現(xiàn)從局部到整體的性能評價。目前,對于焊接結構的小沖孔試驗研究大致包括3個方面。

2.1 焊接接頭局部區(qū)域性能評價

目前,焊接接頭的小沖孔試驗研究中,學者們嘗試利用小沖孔試驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗方法,分析不同焊接條件下接頭各局部區(qū)域的性能參數(shù)。Fan等[18]對316LN不銹鋼多道焊焊接接頭的不同區(qū)域開展小沖孔試驗和微觀組織分析,發(fā)現(xiàn)接頭各區(qū)域呈現(xiàn)顯著的微觀組織不均勻,并在宏觀上表現(xiàn)為小沖孔最大載荷、最大載荷位移、變形能顯著發(fā)生變化。Danon等[19]證明小沖孔試驗所得GH3535母材及焊接接頭屈服強度、抗拉強度分析結果與拉伸試驗結果具有較高的一致性,但是塑性參數(shù)存在一定差異。

小沖孔試樣體積較小的優(yōu)點使得其不僅適用于室溫分析,也可以被應用于復雜環(huán)境中。Isselin等[20]通過連接高壓水回路組,實現(xiàn)了沸水反應堆條件(288 ℃、9 MPa、高純水環(huán)境)下316L不銹鋼焊接接頭的小沖孔試驗研究。Blagoeva等[21]對P91焊接接頭不同區(qū)域開展小沖孔蠕變試驗,發(fā)現(xiàn)小沖孔蠕變曲線與單軸蠕變應變-時間曲線具有較高的一致性,進而發(fā)現(xiàn)細晶熱影響區(qū)是其最薄弱的部位。Kumar等[22-23]對316LN焊接接頭不同區(qū)域的減速蠕變階段展開分析,建立了小沖孔蠕變第一階段主曲線并實現(xiàn)了其蠕變變形的合理描述。Kim等[24]在參考傳統(tǒng)諾頓方程的基礎上成功建立了700 ℃下Inconel 617焊接接頭各區(qū)域最小撓度速率與載荷之間的關系,證明小沖孔試驗具有代替單軸蠕變試驗獲取材料蠕變性能的能力。

2.2 工藝優(yōu)化

局部應變強化、熱處理工藝、元素含量優(yōu)化等一直是焊接工藝中不可忽視的關鍵影響因素。Zhao等[25]發(fā)現(xiàn),當316H焊接接頭中碳含量(質量分數(shù))從0.016%增大至0.062%時,δ鐵素體含量(體積分數(shù))從7.2%下降至2.8%,焊縫強度顯著上升。因此,如何在局部性能分析的基礎上,利用小沖孔便于局部取樣的特點,針對應變強化、熱處理等情況下焊接接頭的性能變化展開研究,嘗試為焊接工藝的優(yōu)化提供參考就成了另一個值得關注的領域。楊凱宇[26]證明小沖孔試驗可以有效表征應變強化后06Cr19Ni10焊縫、母材的力學性能參數(shù)。董建濤等[27-28]通過載荷-位移曲線分析不同微量元素含量下鋁合金點焊接頭的強度變化,證明微量元素可以有效提高鋁合金點焊接頭力學性能。張偉光等[29]結合正交旋轉中心復合試驗法開展水下激光修復焊接,并通過小沖孔試驗進行局部性能評價,建立了水介質下焊接工藝參數(shù)與拉伸強度之間的關系。Taheri等[30-31]分別對不同熱處理工藝下的IN738和GTD-111焊接接頭各區(qū)域開展小沖孔蠕變分析,并發(fā)現(xiàn)析出相對材料蠕變壽命存在顯著影響。Kim等[32]對P92焊接接頭進行5 h、730±20 ℃的焊后熱處理,建立了母材、焊縫、熱影響區(qū)小沖孔蠕變撓度與載荷間的關系,證明熱影響區(qū)是接頭最薄弱的部位。

2.3 焊接接頭損傷評價

長期服役過程中材料不可避免地會產生劣化[33],而小沖孔微小的試樣體積使得從在役設備上取樣成為可能。因此,在實現(xiàn)焊接接頭局部性能分析的基礎上,可以利用小沖孔試驗適用于在役構件評價的特點,分析不同損傷狀態(tài)下焊接接頭的性能變化,并為實際工程提供指導[34]。陸彥琰[35]對運行10年的3Cr1Mo1/4V焊接接頭分別從平行和垂直試塊表面兩個方向進行取樣,證明小沖孔試驗可以合理表征不同晶粒度區(qū)域的力學性能。張恩勇等[36]對回火脆化和脫脆熱處理的2.25Cr-1Mo鋼焊縫開展低溫小沖孔研究,證明回火脆化后焊縫強度和韌脆轉變溫度均有所上升。Hong等[37]發(fā)現(xiàn)長期時效會導致奧氏體不銹鋼焊接接頭局部強度上升,塑性下降。宋明等[38]基于ABAQUS數(shù)值分析軟件,建立釬焊接頭的小沖孔數(shù)值分析模型,探索了釬焊接頭的蠕變變形及損傷演化規(guī)律。曹鑫源[39]分析不同熱老化時間下308L不銹鋼堆焊材料的小沖孔變形曲線和斷口形貌,證明隨著熱老化時間的延長,鐵素體逐步硬化,脆化敏感性增加。對于焊接接頭,氫脆引發(fā)的結構失效一直是學者們關注的重點。因此,眾多學者也嘗試通過小沖孔載荷-位移曲線獲取氫脆后材料強度及韌脆轉變溫度的變化。García等[40]在傳統(tǒng)小沖孔試驗裝置的基礎上加入電解產氫裝置,實現(xiàn)了CrMoV焊接接頭在空氣及氫環(huán)境下的變形行為研究,證明小沖孔試驗可以有效獲取氫脆對于焊接接頭力學性能的影響。lvarez等[41]則對試樣預先進行了滲氫處理,并引入局部缺口,證明焊縫和粗晶熱影響區(qū)受到氫脆的影響更為明顯。

3 焊接接頭拉伸強度的小沖孔評價方法

隨著小沖孔試驗技術在焊接領域的逐步發(fā)展,如何準確獲取材料性能參數(shù)與小沖孔曲線之間的關系,合理建立材料性能參數(shù)的小沖孔評價方法是學者們當前探索的主要方向之一。

前期研究中,學者們大多通過恒速沖壓獲得材料在變形過程中載荷-位移曲線的變化,建立曲線中不同的特征參數(shù)(彈塑性轉變載荷、最大載荷、斷裂位移等)與拉伸強度之間的關系[42-44],并為后續(xù)研究提供指導,其中應用較為廣泛的如式(1)—(3)所示[45-47]。

(1)

(2)

(3)

式中:Py為彈塑性轉變載荷,Rel為屈服強度,Pmax為最大載荷,Rm為抗拉強度,dm為斷裂位移,h0為試樣的初始厚度,A為斷后延伸率,k1、k2、k3、k4、k5、k6為與材料和試驗條件相關的常數(shù)。

隨著研究的逐步深入,經驗公式被不斷優(yōu)化、修正,但是小沖孔彈塑性轉變載荷與屈服強度、小沖孔最大載荷與抗拉強度、斷裂位移與斷后延伸率之間存在的對應關系還是受到了學者們的廣泛認可。在此基礎上,學者們嘗試在試驗數(shù)據(jù)的基礎上,獲取小沖孔特征參量與拉伸強度之間的經驗關聯(lián)式,并將所得焊接接頭小沖孔特征參量帶入其中,從而獲取其強度參數(shù)。Rodríguez等[48]在分析熱影響區(qū)組織的基礎上選取相關系數(shù),進而獲取焊接接頭局部拉伸強度參量。魯陳林[49]則在傳統(tǒng)方法的基礎上進一步考慮了溫度的影響,獲得了不同溫度下C-276合金焊縫特征參量與材料拉伸強度間的關系。薛智超[50]結合數(shù)字圖像相關技術(DIC)對小沖孔取樣部位進行測試,從而建立了各區(qū)域拉伸強度與小沖孔特征參量間的關系。Kato等[51]在小沖孔試驗及單軸拉伸試驗的基礎上,建立屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率與小沖孔參數(shù)之間的經驗關聯(lián)式,并應用于電子束焊接接頭高溫強度分析,發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)拉伸強度最高,但是塑性相對較差。

采用經驗關聯(lián)式進行強度計算雖然簡單易行,但是不同公式存在明顯的適用范圍,需要大量的試驗結果以對其進行驗證和完善,因此有學者嘗試通過引入數(shù)值分析的方式對材料拉伸強度開展分析。田浩辛[52]結合數(shù)值模擬通過逆向求解的方式獲得了釬焊接頭釬焊層無損傷彈塑性參量及Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)方程參數(shù)。宋明等[53]在逆向求解的基礎上結合特征參量分析,認為相比于母材,釬焊接頭強度較差,過大的釬縫厚度會降低整體承載能力。就整體而言,目前焊接接頭拉伸強度的小沖孔分析仍舊以經驗關聯(lián)分析為主。隨著圖像處理技術、硬度分析等手段越來越多地被應用于焊接結構的性能分析中[54-55],如何結合其他試驗方法以及理論分析實現(xiàn)接頭強度參數(shù)的合理預測是后續(xù)研究中需要進一步探索的方向。

4 焊接接頭蠕變變形的小沖孔評價方法

在實際工程中,大量焊接構件服役于高溫、高壓條件下,如何實現(xiàn)高溫環(huán)境下焊接接頭蠕變變形的合理預測一直是安全服役中不可忽視的重要環(huán)節(jié)[56]。小沖孔蠕變試驗不僅可以獲得與單軸蠕變應變-時間曲線相似的撓度-時間曲線[57-58],而且更加節(jié)省材料,因此受到了許多學者的關注[59]。

然而作為一個復雜的非線性變形過程,如何合理建立小沖孔蠕變載荷與應力、中心撓度與應變之間的關系一直是學者們研究的方向,其中,以European Committee for Standardization(CEN)所采用的預測模型[60]、Chakrabarty模型[61-62]、Hyde模型[63]等為代表的小沖孔蠕變分析模型受到較多的關注。CEN在大量研究的基礎上指出,小沖孔蠕變載荷和應力可以表示為

F/σ=3.33kspd-0.2r1.2h0

(4)

式中:ksp為與蠕變環(huán)境及材料相關的參數(shù),F為小沖孔蠕變載荷,σ為蠕變應力,d為下?？装霃?r為小球半徑,h0為試樣初始厚度。

Blagoeva等[64]以此為基礎,對P91服役前后的母材、焊縫及熱影響區(qū)蠕變應力進行分析,并給出了ksp的取值建議。Zhao等[65]對比P92母材、焊接接頭的小沖孔與常規(guī)蠕變結果,獲得不同區(qū)域材料的ksp值,并認為該值與材料頸縮變形及屈服強度息息相關。同時,Zhao等[65]結合Hyde模型,在幾何變形的基礎上進一步獲取P92焊接接頭各區(qū)域等效應變、位移隨變形角的變化規(guī)律,分別如式(5)和(6)所示,進而以此為基礎建立兩者之間的關系。

(5)

(6)

式中:ε為等效應變,L為位移,α為錐形頂角。

相比于前兩者,Chakrabarty模型則是在忽略厚度影響的基礎上,分別對試樣與小球的接觸區(qū)和非接觸區(qū)開展分析,找到蠕變應變、撓度等參數(shù)與變形角之間的聯(lián)系。Li等[66]利用Chakrabarty模型分析了P91小沖孔蠕變應變、蠕變應力隨撓度的變化規(guī)律,進而建立小沖孔蠕變參量與單軸蠕變參量之間的關系,并獲取了Kachanov方程參數(shù)。Gül?imen等[67]考慮到彎曲應力對分析準確性的影響,引入初始屈服點,從而提出了修正后的小沖孔等效應力分析方法。Chakrabarty模型在小沖孔蠕變變形中受到了廣泛的關注,但是在實際工程中材料不可避免地會產生厚度減薄和頸縮現(xiàn)象,如何進一步修正相關模型并應用于焊接接頭分析是后續(xù)研究的方向。

相比于復雜的理論計算模型,亦有部分學者嘗試利用小沖孔蠕變撓度-時間曲線與單軸蠕變應變-時間曲線的相似性建立蠕變參數(shù)之間的轉換關系。Izaki等[68]結合Larson-Miller(L-M)方程,獲取相同L-M參數(shù)下2.25Cr-1Mo母材及模擬熱影響區(qū)材料的小沖孔蠕變載荷和單軸蠕變應力,并建立其二者之間的關系。相似的思路,也被Komazaki等[69]應用于鐵素體鋼的分析中,相比于理論模型,其優(yōu)點在于對特定材料簡單易行,但是試驗量更大。

5 總結與展望

焊接結構強度的合理評價一直是實際工程中構件安全服役的重要課題之一,然而焊接接頭各區(qū)域不僅尺寸較小,微觀組織間也存在差異,為其性能的準確評價帶來了巨大的挑戰(zhàn)。小沖孔試驗技術具有試樣體積微小,便于在焊接接頭不同區(qū)域進行取樣,而且適用于不同環(huán)境下材料性能評價等優(yōu)點,被認為是一種極具潛力的焊接結構安全服役評價手段。

本文綜述了焊接接頭拉伸強度及蠕變性能的小沖孔試驗研究進展,分析了小沖孔試驗技術在不同焊接結構和焊接條件下接頭強度分析、工藝優(yōu)化、服役損傷分析等方面的應用情況。并發(fā)現(xiàn)焊接接頭拉伸強度的小沖孔分析以經驗關聯(lián)法、數(shù)值模擬評價為主,而蠕變性能評價則多是基于不同小沖孔蠕變變形分析模型或利用小沖孔蠕變曲線與單軸蠕變曲線的相似性進行參數(shù)轉換。

小沖孔試驗技術在焊接接頭局部性能評價領域具有廣闊的應用前景,然而其未來發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn):如何考慮非線性變形、損傷累積對分析準確性的影響,進一步完善理論模型是值得探索的問題;同時,積累大量試驗數(shù)據(jù),建立不依賴于單軸試驗結果的小沖孔評價方法也是當前亟待解決的難點。最后,如何考慮實際工程中焊接方法、結構尺寸、服役環(huán)境對在線取樣帶來的困難,開發(fā)能夠廣泛適用的在線取樣設備是小沖孔技術走向工程應用的關鍵。