简介
焊接技术与模拟实验室主要研究S690至S960高强钢的焊接技术、质量控制及焊接构件结构性能的高精度数值模拟。
实验室的研究团队
实验室负责人
钟国辉教授
成员
朱梦飞博士 (實驗室副主管)
金皓博士 (實驗室副主管)
王一川先生 (技术主管)
邬伟雄工程师 (项目工程师)
麦兆康先生 (项目工程师)
胡亦非博士 (研究助理教授)
宁克洋博士 (博士后研究员)
主要研究领域
1. S690 至 S960 高强钢的焊接技术和焊接程序规范
2. 用于工厂预制和现场操作的机器人焊接
3. 激光焊接技术和质量控制
4. 厚钢板焊接接头的机械性能
5. 热影响区和微观结构变化
6. 考虑相变的高强钢焊接数值模拟
7. 焊丝的检验和质量保证
研究课题
课题1：S690高强钢厚板焊接
为了支持在建筑结构中有效使用高强度 S690 钢，对50和70毫米厚的高强度 S690 钢板及其对焊连接在拉力作用下的机械性能进行了全面研究。
用气体金属弧焊（GMAW）和埋弧焊（SAW）制备 16 毫米厚 S690 钢板焊接件。使用的热输入 q 不同，即 q = 1.0、1.5、2.0 和 5.0 kJ/mm。测试了沿平行长度方向直径为 5 毫米的比例圆柱形试样，相应的全范围应力-应变曲线如图 1 所示。对于从 q = 1.0、1.5、2.0 和 5.0 kJ/mm 的焊接断面中提取的试样，可以发现：
- 其屈服强度的降低系数分别为 0.98、0.90、0.86 和 0.70，以及
- 抗拉强度的降低系数分别为 1.00、0.97、0.92 和 0.83
更重要的是，对于 q = 2.0 和 5.0 kJ/mm 的两个焊接截面，其抗拉强度小于 EN ISO 15614 规定的 770 N/mm2 的要求值。因此，由于这两种焊接截面在焊接后的机械性能严重下降，因此被不能用于结构应用。
厚钢板的实验研究
在典型的钢结构部件制造中，埋弧焊（SAW）通常用于焊接厚钢板，以提供较大的热输入能量 q 来减少焊道次数。然后进行了标准拉伸试验，这些截面的工程应力-应变曲线如图 2 所示。
一般来说，重要的是控制加热和冷却过程，使焊接接头热影响区的任何微观结构变化保持在最低水平。这通常是通过根据焊点的坡口尺寸来选择各种焊接参数来实现的，从而使焊接过程中的热输入能量保持在实际最低水平，同时又能以较高的生产率完成焊接过程。为了促进高强度 S690 钢在建筑中的广泛应用，有必要研究焊接对这些钢板机械性能的影响，这些钢板在建筑中的实际厚度为 30 至 80 毫米。如果这些焊接型材的各种机械性能有任何降低，最好能对其进行识别和量化，更重要的是，要消除这些焊接型材的任何降低。
课题2 对高强钢焊接的精密数值模拟
在过去的五十年中，学者们对使用S235和S355钢材加工的钢构件中的残余应力和结构性能进行了大量的实验研究。然而，在高强钢的冶炼过程中使用了淬火和回火（QT）工艺提高它们的强度，以满足对高强度的严格要求。QT工艺导致了高强钢的微观结构复具有一定的复杂性，焊接过程中冷却速率的变化可能影响最终的金属相。因此，对于S690和S960焊接过程中固态相变的深入研究，无论是试验还是数值研究，对于优化焊接工艺、确保焊接接头的结构完整性，并最大程度地发挥高强度钢在工程应用中的优势都至关重要。
试验研究
为了研究S960在受热和冷却阶段发生的固态相变，有必要获得其连续冷却转变（CCT）曲线。在获得了热膨胀试验得到的CCT曲线后，制备了四个具有不同横截面厚度的S960焊接截面，并进行了焊接过程中的温度测试以及焊后残余应力测试，以提供有效的校准数据供数值模拟使用。使用钻孔法在S960箱形截面的翼缘和腹板上分别钻取了总共15个测量点。
为了研究S690和S960焊接粗矮柱在轴向压缩下的结构行为，后续同样进行了一系列压缩试验，实验在香港理工大学结构工程研究实验室进行，部分试验结果如图1所示。
数值模拟
图2展示了TMMS模拟方法的整个流程。该方法考虑了焊接过程中的固态相变，包括热传递、热-金属学、热-力学和结构性能分析。通过使用Python脚本将两个有限元模拟软件连接在一起，它提供了高强度钢S960在焊接截面和热影响区的固态相变和力学性能变化的具体信息。
通过这一模拟方法，具有均匀冶金特性的S960有限元模型在直接受到焊接过程中最高温度和热输入能量的瞬时温度分布历史的影响下发生转变，新的力学性能和残余应力结果被应用于后续结构分析。在整个变形范围内，成功实现对S690和S960焊接短柱的预测变形特性和实测变形特性的良好比较。
课题3 S690高强钢激光-电弧复合焊接接头力学性能和微观结构
当前关于激光-电弧复合焊接（LAHW）在钢结构应用中的研究涵盖了多种钢材等级，包括高强度和超高强度钢。然而，现有对高强度和超高强度钢的研究主要集中在接头配置和焊材化学成分对力学性能的影响上。关于S690高强钢使用LAHW焊接接头的力学性能和微观结构仍存在研究空白，特别是在不同热输入能量下。理解热输入能量对焊接质量的影响对于优化焊接参数和确保结构完整性至关重要。本研究旨在通过试验研究S690高强钢激光-电弧复合焊接接头力学性能和微观结构，填补这一研究空白。
试验结果表明，热输入能量对这些焊接接头的抗拉强度和破坏模式有重要影响。对于热输入能量较低（≤1.0 kJ/mm）的焊接接头，发现其强度至少保留了基板强度的98%。而对于热输入能量较高（≥1.5 kJ/mm）的焊接接头，强度明显下降。在热输入能量为2.0 kJ/mm的情况下，这些焊接接头的屈服强度下降高达24%，并且断裂发生在焊接接头的熔合区。此外，研究还表明，在数字图像相关技术的帮助下，过高的热输入能量可能导致熔合区的软化，从而影响结构完整性。
焊接接头的微观结构分析显示出受热输入水平影响的明显特征。在低热输入能量下，熔合区（FZ）主要由马氏体组成，尤其是在顶部区域，从而导致高硬度。相反，在高热输入能量下，熔合区的微观结构主要转变为贝氏体，导致整体强度和硬度的降低。在高热输入能量下，熔合区内从马氏体到贝氏体的转变与抗拉强度的降低和熔合区内断裂直接相关。
代表性论文
1. Liu, X., Chung, K. F., Ho, H. C., Xiao, M., Hou, Z. X., & Nethercot, D. A. (2018). Mechanical behavior of high strength S690-QT steel welded sections with various heat input energy. Engineering Structures, 175, 245-256.
2. Hu, Y. F., Chung, K. F., Ban, H., & Nethercot, D. A. (2020). Investigations into residual stresses in S690 cold-formed circular hollow sections due to transverse bending and longitudinal welding. Engineering Structures, 219, 110911.
3. Hu, Y. F., Ho, H. C., Chung, K. F., Xiao, M., Liu, X., & Nethercot, D. A. (2023). Integrated and coordinated numerical simulations on fabrication processes of high strength S690 cold-formed circular hollow sections. Engineering Structures, 279, 115620.
4. Xiao, M., Hu, Y. F., Chung, K. F., & Nethercot, D. A. (2024). Advanced numerical simulations on S690 cold-formed square hollow sections under compression. Journal of Constructional Steel Research, 212, 108303.
5. Jin, H., Zhu, M. F., Hu, Y. F., Ho, H. C., Chung, K. F., Nethercot, D. A., ... & Xie, G. (2024). Investigations into mechanical properties of 50 and 70 mm thick high strength S690 butt-welded sections. Engineering Structures, 314, 118363.
6. Zhu, M. F., Hu, Y. F., Han, Y. W., Chung, K. F., & Nethercot, D. A. (2025). Numerical investigation into high-strength S690 and S960 stocky welded H-sections under compression. Journal of Constructional Steel Research, 228, 109455.
7. Jin, H., Zhu, M. F., Wang, Y. C, Hu, Y. F, Ho, H. C., Chung, K. F., ... & Xie, G. Investigation into Mechanical Properties of Heat-Affected Zones in High Strength S690 Steel Welded Sections. Available at SSRN 4951420.
8. Zhu, M. F., Chung, K. F., Hu, Y. F., Jin, H., Han, Y. W., & Huang, M. X. (2025). Advanced numerical simulation on effects of welding onto high strength S690 and S960 steel welded H-sections. Engineering Structures, 323, 119236.
9. Zhu, M. F., Chung, K. F., Hu, Y. F., Jin, H., Xiao, T. Y., & Huang, M. X. (2025). Numerical simulation considering phase transformations on stocky columns of high strength S960 steel welded box sections under compression. Engineering Structures, 332, 120095.
10. Jin, H., Zhu, M. F., Advanced numerical simulation on high strength steel with welding-induced reductions in their mechanical properties. (Submitted)
