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題目:焊接殘余應力的分布規(guī)律課程:焊接結構與生產(chǎn)專業(yè):焊接技術與工程目錄TOC\o"1-2"\h\u摘要 摘要隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步焊接技術已經(jīng)廣泛應用于橋梁、建筑等各個領域對國民濟的發(fā)展起著極其重要的作用。由于高度集中的瞬時熱輸入構件焊后將產(chǎn)生相當大的焊接殘余應力和變形這將對焊接接頭的各種力學性能產(chǎn)生不同程度的影響。焊接殘余應力的存在一方面工件會降低強度使工件在制造時產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷另一方面又會在制造后的自然釋放過程中使工件的尺寸發(fā)生變化或者使其疲勞強度、應力腐蝕等力學性能降低。因此殘余應力的測量對于確保工件的安全性和可靠性有著非常重要的意義。同時對焊接殘余應力方法的研究能夠較精確的掌握構件焊接后殘余應力大小及分布情況對研究焊接殘余應力分布規(guī)律有著重要的意義。本文對焊接的基本理論、焊接殘余應力的形成機理等進行了整理、歸納和總結?并在此基礎上?詳細闡述了目前對殘余應力測試比較常用的一些方法并介紹了當前國內外新型的一些殘余應力測試方法在此基礎上對殘余應力測試的發(fā)展趨勢進行了分析。并提出了要合理選擇合適的殘余應力測試方法?!娟P鍵詞】:焊接理論;殘余應力;測試方法1.焊接殘余應力在進行焊接殘余應力分析之前為便于分析?我們先對相關參數(shù)進行了定義。平行于焊縫的方向稱為縱向該方向的應力稱為縱向應力;垂直于焊縫的方向稱為橫向該方向的應力稱為橫向應力。大多數(shù)的焊接方法都要將焊件局部加熱因此焊件中溫度的分布是不均勻的并且在焊接過程中還將不斷變化;另外由于焊接溫度很高一般均超出母材或焊料的熔化溫度故在焊接過程中均將產(chǎn)生塑性變形?因此在焊接中均有殘余應力存在。這種殘余應力就稱之為焊接殘余應力。在進行焊接殘余應力分析之前為了便于分析?我們先對相關參數(shù)進行定義。平行于焊縫的方向稱為縱向該方向的應力稱為縱向應力;垂直于焊縫的方向稱為橫向該方向的應力稱為橫向應力。大多數(shù)的焊接方法都要將焊件局部加熱因此焊件中溫度的分布是不均勻的并且在焊接過程中還將不斷變化;另外?由于焊接溫度很高?一般均超出母材或焊料的熔化溫度故在焊接過程中均將產(chǎn)生塑性變形?因此?在焊接中均有殘余應力存在。這種殘余應力就稱之為焊接殘余應力。1.1焊接殘余應力產(chǎn)生的原因焊接殘余應力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的。焊接應力按其發(fā)生源來區(qū)分有如下3種情況:(1)直接應力這是進行不均勻加熱和冷卻的結果,它取決于加熱和冷卻時的溫度梯度,是形成焊接殘余應力的主要原因。(2)間接應力這是由焊前加工狀況所造成的壓力。構件若經(jīng)歷過軋制或拉拔時,都會使之具有此類殘余應力。這種殘余應力在某種場合下會疊加到焊接殘余應力上去,而在焊后的變形過程中,往往也具有附加性的影響。另外,焊件受外界約束產(chǎn)生的附加應力也屬于此類應力。(3)組織應力這是由組織變化而產(chǎn)生的應力,也就是相變造成的比容變化而產(chǎn)生的應力。它雖然因含碳量和材料其它成分不同而有異?但一般的情況下,?這種影響必須要加以考慮的是,發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度。焊接殘余應力一般主要是由(1)情況的直接應力所造成的。在此有必要把這種溫度梯度所造成的影響作更進一步的探討。在加熱過程中,一般在物體內,如果其各部分呈不均勻的溫度狀態(tài)時,各部分的熱膨脹數(shù)量就不同。由于彼此之間相互制約就產(chǎn)生熱應力。假定這種熱應力超過了材料此時溫度下的屈服應力,就會產(chǎn)生塑性變形;塑性變形的發(fā)生,又使熱應力的狀態(tài)發(fā)生變化。在冷卻過程中,?如果各部分溫度降低的不一樣,熱應力也會發(fā)生。從加熱開始到冷卻終了,焊接殘余應力是作為熱應力的最終狀態(tài)而出現(xiàn)的,能給予這種殘余應力以決定性影響的是各部分的溫度梯度。焊接殘余應力的分布2.1縱向殘余應力焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程。圖所示為周邊自由的兩塊鋼板對接后的殘余應力分布情況。由于施焊時電弧對鋼板不均勻加熱?焊縫及其附近熱影響區(qū)溫度達到了熱塑性狀態(tài)在冷卻的過程中由于焊件的整體性妨礙了高溫區(qū)的自由收縮。因此焊縫區(qū)發(fā)生了很大的縱向(沿焊縫長度方向)殘余拉應力?而在低溫區(qū)則產(chǎn)生了縱向殘余壓應力如圖所示。圖2.1.1鋼板對焊后的殘余應力2.2橫向殘余應力產(chǎn)生縱向殘余應力的同時還會在垂直于焊縫方向產(chǎn)生橫向殘余應力其原因大致如下:當焊縫縱向收縮時有使兩塊鋼板向外彎成弓形的趨勢?但為焊縫金屬所阻止,因而產(chǎn)生焊縫中部受拉?兩端受壓的橫向應力;由于焊縫是依次施焊的后焊部分的收縮因受到已經(jīng)冷縮的先焊部分的阻礙,以致引起后焊部分產(chǎn)生橫向拉應力并使鄰近的先焊部分產(chǎn)生橫向壓應力。焊縫的橫向殘余應力是上述兩種原因產(chǎn)生的應力合成。2.3延焊縫厚度方向上的殘余應力在厚鋼板的連接中焊縫需要多層施焊因此除有縱向和橫向焊接殘余應力(σx,σy)外?沿厚度方向還存在著焊接殘余應力σ。這是因為:1、分層焊接時?先焊接的部分由于已經(jīng)冷卻?而必將對后焊部分的膨脹產(chǎn)生約束作用阻止其變形。因此必將在先焊部分產(chǎn)生殘余壓應力,而在后焊部分必將產(chǎn)生殘余拉應力。2、由于板厚焊縫內部的散熱不均勻,靠近構件表面部分由于可以直接與外界進行熱交換,散熱比較快。而焊縫內部的散熱卻不如表面快?這必將造成焊縫表面與內部溫度不一致而存在溫差。這就必然會產(chǎn)生沿板厚度方向的殘余應力。3殘余應力測試技術殘余應力測試技術是計算方法的有效驗證與補充,也是實現(xiàn)快速準確評價工程構件的安全性與可靠性的必要工具。目前,殘余應力測試方法種類繁多且各有利弊。3.1破壞性測試方法輪廓法于2001年由美國洛斯阿拉莫斯實驗室的PRIME提出。該方法根據(jù)應力釋放與彈性變形的關系獲取殘余應力分布。如圖2.1.0所示,首先將試樣沿待測截面切開,切割面由于彈性應力的釋放而產(chǎn)生變形,再對切割截面的正向位移進行測試及擬合,將擬合后的數(shù)據(jù)作為邊界條件施加到有限元模型中,根據(jù)線彈性計算得到垂直于切割截面的初始殘余應力分布。輪廓法測試精度較高、測試費用相對較低、測試裝置也相對簡單,測試結果對微觀組織變化不敏感,可獲取整個截面的應力分布全貌。圖3.1.1輪廓法殘余應力測試原理圖輪廓法可以測量厚度較大的工件內部殘余應力且不受尺寸限制。測量精度主要與輪廓數(shù)據(jù)的采集、擬合方法和表面切割的精度有關,改進切割方法和表面輪廓測試方法可以提高測量精度:SHIN[44]指出若在切割平面附近布置合適的約束條件,則可避免塑性變形引起的輪廓法測試誤差。TOPARLI等[45]通過優(yōu)化切割參數(shù)并提出最優(yōu)擬合結點間距的新判據(jù),從而通過輪廓法獲取了較為理想的近表面殘余應力測試結果。AHMAD等[46]修正了切割時引起的誤差以提高輪廓法的測試精度,通過減小脈沖持續(xù)時間降低了切割過程中的表面粗糙度,并通過設置表面附加層降低了近表面輪廓法測試結果的不規(guī)則性。然而,傳統(tǒng)的輪廓法只能測試某一截面上正應力的分布,而無法獲取其他方向的應力分量以及不同位置的應力分布結果。今后,輪廓法應進一步提高切割精度,降低切割引起的塑性變形誤差;同時,需要提高輪廓測試的分辨率以提高輪廓測量精度,建立更為具有針對性的擬合方法而降低輪廓測試誤差;也需將輪廓法與X射線衍射法相結合,從而獲取高精度的構件表面與內部殘余應力分布結果。3.2半無損檢測技術壓痕應變法測量殘余應力屬于一種微損的應力測量技術,可避免工程部件因有損性測試方法造成的破壞,其測試原理如圖13所示。該方法通過制造壓痕形成外加應力場,并與原有殘余應力場引起應變增量,進而通過下面公式將所測試應變轉化為殘余應力。式中,σx、σy為主應力,E為彈性模量,v為泊松比,εex、εey為彈性應變。圖3.2.1壓痕應變法測試原理相對于其他殘余應力測試方法,壓痕應變法則由于物理背景較清晰,相關理論較成熟,測試結果與盲孔法測試結果比較接近,因此成為大量學者采用的測試手段。ZHANG等[54]利用壓痕法測試了雙相不銹鋼焊接殘余應力,并獲取了與有限元模擬較為吻合的結果。陳懷寧等[55]討論了殘余應力的壓痕法測試過程中塑性區(qū)的變化規(guī)律,通過有限元模擬技術發(fā)現(xiàn)對于常見的金屬材料,當其壓痕直徑為1.2mm、殘余應力達到材料屈服強度時,塑性區(qū)半徑達到4mm左右,從而為壓痕法專用應變片提供了尺寸設計依據(jù)。在壓痕應變法測試中,塑性區(qū)的大小嚴重影響測試結果的精度,應保證其與應變敏感元件的測試區(qū)域保持合理的距離;同時,需確立應變增量與殘余應力合理的函數(shù)關系以及應變增量與材料特性間的關系,從而高效準確地完成結構表面殘余應力的測試。總結現(xiàn)代工業(yè)技術及承壓設備的高速發(fā)展對焊接殘余應力的計算、測試及調控提出了更高的要求。需通過合理的計算與測試方法相結合,使承壓設備的焊接殘余應力得到準確的評估,進而選擇有效的調控方式精準調控焊接殘余應力,以保證各類承壓設備的高性能與高可靠性制造。測試方法上,精準的焊接殘余應力測試是對計算模擬結果的驗證與優(yōu)化,并為裝備制造與設備運行提供可靠性建議。然而,目前破壞性測試方法對構件造成的破壞不可修復,其測試結果受現(xiàn)場環(huán)境影響較大,而無損的衍射測試方法通常設備體積較大,價格極為昂貴,先進的中子衍射與同步輻射源不具有便攜性、無法提供現(xiàn)場的試驗,X射線法、超聲波法受材料的微觀組織特征影響較大,而工程現(xiàn)場難以對材料的性能進行快速準確的測試與評估。因此,為滿足現(xiàn)場測試的需求,需進一步發(fā)展便攜式的微損/無損測試手段,如鉆孔法及壓痕法。通過提高應變片的精度、提出快速準確的計算系數(shù)標定方法、降低現(xiàn)場測試時塑性變形對計算結果造成的誤差,可推動鉆孔法及壓痕法的進一步普及應用。參考文獻呂國坤,陳黎卿,陳永新,等.盲孔法測量殘余應力試驗中塑性修正的插值方法[J].熱加工工藝,2014,43(9):185-187,190.陳懷寧,林泉洪,陳靜,等.沖擊壓痕法測量殘余應力中的塑性區(qū)問題[J].焊接學報,2001(5):21-23.ZHANGW,JIANGW,ZHAOX,etal.Fatiguelifeofadissimilarweldedjointconsideringtheweldresidualstress:Experimentalandfiniteelementsimulation[J].InternationalJournalofFatigue,2018:182-190.宋天民.焊接殘余應力的產(chǎn)生與消除[M],北京:中國石化出版社,2005.王勤生,奧氏體不銹鋼波紋管的應力腐蝕研究,[碩士學位論文],南京工業(yè)大學,2004高潔安,嚴正,董艷柱等.SA335-P92鋼管采用感應加熱焊接熱處理工藝試驗[J],電力建設,2010,10:109-113.SHINSH.FEManalysisofplasticity-inducederroronmeasurementofweldingresidualstressbythecontourmethod[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology,2005,19(10):1885-1890.TOPARLIMB,F(xiàn)ITZPATRICKME,GUNGORS,etal.Improvementofthecontourmethodformeasurementofnear-surfaceresidualstressesfromlaserpeening[J].ExperimentalMechanics,2013,53(9):1705-1718.AHMADB,F(xiàn)I

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