焊接残余应力的分布规律

题目：焊接残余应力的分布规律课程：焊接结构与生产专业：焊接技术与工程目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 摘要随着生产的发展和科学技术的进步焊接技术已经广泛应用于桥梁、建筑等各个领域对国民济的发展起着极其重要的作用。由于高度集中的瞬时热输入构件焊后将产生相当大的焊接残余应力和变形这将对焊接接头的各种力学性能产生不同程度的影响。焊接残余应力的存在一方面工件会降低强度使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此残余应力的测量对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。同时对焊接残余应力方法的研究能够较精确的掌握构件焊接后残余应力大小及分布情况对研究焊接残余应力分布规律有着重要的意义。本文对焊接的基本理论、焊接残余应力的形成机理等进行了整理、归纳和总结‚并在此基础上‚详细阐述了目前对残余应力测试比较常用的一些方法并介绍了当前国内外新型的一些残余应力测试方法在此基础上对残余应力测试的发展趋势进行了分析。并提出了要合理选择合适的残余应力测试方法。【关键词】：焊接理论；残余应力；测试方法1.焊接残余应力在进行焊接残余应力分析之前为便于分析‚我们先对相关参数进行了定义。平行于焊缝的方向称为纵向该方向的应力称为纵向应力；垂直于焊缝的方向称为横向该方向的应力称为横向应力。大多数的焊接方法都要将焊件局部加热因此焊件中温度的分布是不均匀的并且在焊接过程中还将不断变化；另外由于焊接温度很高一般均超出母材或焊料的熔化温度故在焊接过程中均将产生塑性变形‚因此在焊接中均有残余应力存在。这种残余应力就称之为焊接残余应力。在进行焊接残余应力分析之前为了便于分析‚我们先对相关参数进行定义。平行于焊缝的方向称为纵向该方向的应力称为纵向应力；垂直于焊缝的方向称为横向该方向的应力称为横向应力。大多数的焊接方法都要将焊件局部加热因此焊件中温度的分布是不均匀的并且在焊接过程中还将不断变化；另外‚由于焊接温度很高‚一般均超出母材或焊料的熔化温度故在焊接过程中均将产生塑性变形‚因此‚在焊接中均有残余应力存在。这种残余应力就称之为焊接残余应力。1.1焊接残余应力产生的原因焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分有如下3种情况：（1）直接应力这是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。（2）间接应力这是由焊前加工状况所造成的压力。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。（3）组织应力这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异‚但一般的情况下，‚这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。焊接残余应力一般主要是由(1)情况的直接应力所造成的。在此有必要把这种温度梯度所造成的影响作更进一步的探讨。在加热过程中，一般在物体内，如果其各部分呈不均匀的温度状态时，各部分的热膨胀数量就不同。由于彼此之间相互制约就产生热应力。假定这种热应力超过了材料此时温度下的屈服应力，就会产生塑性变形；塑性变形的发生，又使热应力的状态发生变化。在冷却过程中，‚如果各部分温度降低的不一样，热应力也会发生。从加热开始到冷却终了，焊接残余应力是作为热应力的最终状态而出现的，能给予这种残余应力以决定性影响的是各部分的温度梯度。焊接残余应力的分布2.1纵向残余应力焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。图所示为周边自由的两块钢板对接后的残余应力分布情况。由于施焊时电弧对钢板不均匀加热‚焊缝及其附近热影响区温度达到了热塑性状态在冷却的过程中由于焊件的整体性妨碍了高温区的自由收缩。因此焊缝区发生了很大的纵向（沿焊缝长度方向）残余拉应力‚而在低温区则产生了纵向残余压应力如图所示。图2.1.1钢板对焊后的残余应力2.2横向残余应力产生纵向残余应力的同时还会在垂直于焊缝方向产生横向残余应力其原因大致如下：当焊缝纵向收缩时有使两块钢板向外弯成弓形的趋势‚但为焊缝金属所阻止，因而产生焊缝中部受拉‚两端受压的横向应力；由于焊缝是依次施焊的后焊部分的收缩因受到已经冷缩的先焊部分的阻碍，以致引起后焊部分产生横向拉应力并使邻近的先焊部分产生横向压应力。焊缝的横向残余应力是上述两种原因产生的应力合成。2.3延焊缝厚度方向上的残余应力在厚钢板的连接中焊缝需要多层施焊因此除有纵向和横向焊接残余应力(σx,σy)外‚沿厚度方向还存在着焊接残余应力σ。这是因为：1、分层焊接时‚先焊接的部分由于已经冷却‚而必将对后焊部分的膨胀产生约束作用阻止其变形。因此必将在先焊部分产生残余压应力，而在后焊部分必将产生残余拉应力。2、由于板厚焊缝内部的散热不均匀，靠近构件表面部分由于可以直接与外界进行热交换，散热比较快。而焊缝内部的散热却不如表面快‚这必将造成焊缝表面与内部温度不一致而存在温差。这就必然会产生沿板厚度方向的残余应力。3残余应力测试技术残余应力测试技术是计算方法的有效验证与补充，也是实现快速准确评价工程构件的安全性与可靠性的必要工具。目前，残余应力测试方法种类繁多且各有利弊。3.1破坏性测试方法轮廓法于2001年由美国洛斯阿拉莫斯实验室的PRIME提出。该方法根据应力释放与弹性变形的关系获取残余应力分布。如图2.1.0所示，首先将试样沿待测截面切开，切割面由于弹性应力的释放而产生变形，再对切割截面的正向位移进行测试及拟合，将拟合后的数据作为边界条件施加到有限元模型中，根据线弹性计算得到垂直于切割截面的初始残余应力分布。轮廓法测试精度较高、测试费用相对较低、测试装置也相对简单，测试结果对微观组织变化不敏感，可获取整个截面的应力分布全貌。图3.1.1轮廓法残余应力测试原理图轮廓法可以测量厚度较大的工件内部残余应力且不受尺寸限制。测量精度主要与轮廓数据的采集、拟合方法和表面切割的精度有关，改进切割方法和表面轮廓测试方法可以提高测量精度：SHIN[44]指出若在切割平面附近布置合适的约束条件，则可避免塑性变形引起的轮廓法测试误差。TOPARLI等[45]通过优化切割参数并提出最优拟合结点间距的新判据，从而通过轮廓法获取了较为理想的近表面残余应力测试结果。AHMAD等[46]修正了切割时引起的误差以提高轮廓法的测试精度，通过减小脉冲持续时间降低了切割过程中的表面粗糙度，并通过设置表面附加层降低了近表面轮廓法测试结果的不规则性。然而，传统的轮廓法只能测试某一截面上正应力的分布，而无法获取其他方向的应力分量以及不同位置的应力分布结果。今后，轮廓法应进一步提高切割精度，降低切割引起的塑性变形误差；同时，需要提高轮廓测试的分辨率以提高轮廓测量精度，建立更为具有针对性的拟合方法而降低轮廓测试误差；也需将轮廓法与X射线衍射法相结合，从而获取高精度的构件表面与内部残余应力分布结果。3.2半无损检测技术压痕应变法测量残余应力属于一种微损的应力测量技术，可避免工程部件因有损性测试方法造成的破坏，其测试原理如图13所示。该方法通过制造压痕形成外加应力场，并与原有残余应力场引起应变增量，进而通过下面公式将所测试应变转化为残余应力。式中，σx、σy为主应力，E为弹性模量，v为泊松比，εex、εey为弹性应变。图3.2.1压痕应变法测试原理相对于其他残余应力测试方法，压痕应变法则由于物理背景较清晰，相关理论较成熟，测试结果与盲孔法测试结果比较接近，因此成为大量学者采用的测试手段。ZHANG等[54]利用压痕法测试了双相不锈钢焊接残余应力，并获取了与有限元模拟较为吻合的结果。陈怀宁等[55]讨论了残余应力的压痕法测试过程中塑性区的变化规律，通过有限元模拟技术发现对于常见的金属材料，当其压痕直径为1.2mm、残余应力达到材料屈服强度时，塑性区半径达到4mm左右，从而为压痕法专用应变片提供了尺寸设计依据。在压痕应变法测试中，塑性区的大小严重影响测试结果的精度，应保证其与应变敏感元件的测试区域保持合理的距离；同时，需确立应变增量与残余应力合理的函数关系以及应变增量与材料特性间的关系，从而高效准确地完成结构表面残余应力的测试。总结现代工业技术及承压设备的高速发展对焊接残余应力的计算、测试及调控提出了更高的要求。需通过合理的计算与测试方法相结合，使承压设备的焊接残余应力得到准确的评估，进而选择有效的调控方式精准调控焊接残余应力，以保证各类承压设备的高性能与高可靠性制造。测试方法上，精准的焊接残余应力测试是对计算模拟结果的验证与优化，并为装备制造与设备运行提供可靠性建议。然而，目前破坏性测试方法对构件造成的破坏不可修复，其测试结果受现场环境影响较大，而无损的衍射测试方法通常设备体积较大，价格极为昂贵，先进的中子衍射与同步辐射源不具有便携性、无法提供现场的试验，X射线法、超声波法受材料的微观组织特征影响较大，而工程现场难以对材料的性能进行快速准确的测试与评估。因此，为满足现场测试的需求，需进一步发展便携式的微损/无损测试手段，如钻孔法及压痕法。通过提高应变片的精度、提出快速准确的计算系数标定方法、降低现场测试时塑性变形对计算结果造成的误差，可推动钻孔法及压痕法的进一步普及应用。参考文献吕国坤，陈黎卿，陈永新，等.盲孔法测量残余应力试验中塑性修正的插值方法[J].热加工工艺，2014，43(9)：185-187，190.陈怀宁，林泉洪，陈静，等.冲击压痕法测量残余应力中的塑性区问题[J].焊接学报，2001(5)：21-23.ZHANGW，JIANGW，ZHAOX，etal.Fatiguelifeofadissimilarweldedjointconsideringtheweldresidualstress：Experimentalandfiniteelementsimulation[J].InternationalJournalofFatigue，2018：182-190.宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M]，北京：中国石化出版社,2005.王勤生，奥氏体不锈钢波纹管的应力腐蚀研究，[硕士学位论文]，南京工业大学，2004高洁安，严正，董艳柱等.SA335-P92钢管采用感应加热焊接热处理工艺试验[J]，电力建设，2010,10：109-113.SHINSH.FEManalysisofplasticity-inducederroronmeasurementofweldingresidualstressbythecontourmethod[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology，2005，19(10)：1885-1890.TOPARLIMB，FITZPATRICKME，GUNGORS，etal.Improvementofthecontourmethodformeasurementofnear-surfaceresidualstressesfromlaserpeening[J].ExperimentalMechanics，2013，53(9)：1705-1718.AHMADB，FI