（机械电子工程专业论文）大型滑履磨机焊接残余应力测试试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由焊接产生的残余应力是影响焊接结构强度和性能的重要指标，焊接残余 应力的影响因素很多。而且焊接过程的复杂性和焊接结构的多样性，给焊接结 构的残余应力研究带来很大的困难，然而为了保证焊接结构的安全可靠性，准 确地了解焊接结构的残余应力大小和分布规律是迫切需要解决的重要课题。 目前尚无对磨机焊缝残余应力进行测试的相关报道，本文根据现有磨机生 产的焊接工艺参数，应用盲孔法对焊接残余应力进行测试和分析，获得残余应 力值和分布，来指导该产品的生产和焊接工艺的优化。因此本论文的工作主要 围绕焊接应力的测试和分析来展开，本文的主要内容如下： ( 1 ) 从残余塑性应变与熟收缩应变等价、基于一定试验量和假设一定的分 布函数三个方面对焊接残余应力的形成机制进行了阐述，并对其相关的理论研 究进行了介绍，为进一步了解焊接残余应力的产生，并最终为对焊接残余应力 进行测试分析奠定了理论基础。 ( 2 ) 对残余应力的测试方法进行介绍，并结合工程特点和实际，选用盲孔 测试法，并对其测试原理和过程进行了详细的介绍，为焊接残余应力的测试作 好了准备。 ( 3 ) 为了了解其残余应力的大小和分布，选取了原材料分别制作了一个t 形焊接接头和对接接头，各试板尺寸与磨机的简体和滑履的厚度相同。并应用 盲孔法分别进行了t 形焊接接头和对接接头焊接工艺实验，获得了在退火前和 退火后的试验模型焊缝表面及其近缝区残余应力的大小。 ( 4 ) 本文最后对中材建设有限公司生产的某型号磨机的滑履与圆筒之间和圆 筒体之间的对接焊缝及其近缝区的表面残余应力进行了现场测试。通过对退火前和 退火后测点位置残余应力的数值及分布规律进行对比，得到了残余应力的分布规 律，为生产实际和进一步总结焊接结构的残余应力分布规律提供了依据。 关键词：焊接残余应力；形成机制；理论分析；盲孔法；分布规律 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s i d u a ls t r e s sp r o d u c e db yw e l d i n gi sa l li m p o r t a n tf a c t o rt h a th a sa l l i n f l u e n c eo nt h ei n t e n s i t ya n dp e r f o r m a n c eo fw e l d i n gs t r c t u r e t h e r ea r em a n y f a c t o r sw h i c ha f f e c tw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s m o r e o v e r , t h ec o m p l e x i t yo fw e l d i n g p r o c e s sa n dd i v e r s i t yo fw e l d i n gs t r a e t g r eb r i n gm u c ht r o u b l ef o rt h er e s i d u a ls t r e s s r e s e a r c ho fw e l d i n gs t r u c t u r e h o w e v e r , i no r d e rt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h e w e l d i n gs t r u c t u r e k n o w i n gt h e s i z ea n dd i s t r i b u t i o n r u l eo fr e s i d u a ls t r e s sa r ct h e i m p o r t a n tt o p i cw h i c hi su r g e n tn e e d st os o l v e a tp r e s e n t , w eh a v e n ts e e nt h er e l a t e dr e p o r t sa b o u tr e s i d u a ls t r e s st e s t so fm i l l w e l d e dj o i n t t h i sd i s s e r t a t i o nu s e sb l i n d - h o l em e t h o dt oh a v eat e s ta n da n l y s i so f r e s i d u a ls t r e s sb a s e do nt h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no f i th a v eb e e na c q u i r e d , t h e nt h er e s u l t sc a l lb eu s e dt o i n s t r u c tp r o d u c t i o na n d o p t i m i z a t i o no fw e l d i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni s a b o u tr e s i d u a ls t r e s st e s ta n da n a l y s i s ，a n dt h em a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sd i s s e r t a t i o nn a r r a t e sf o r m i n gm e c h a n i s mo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sf r o m t h r e ea s p e c t s s u c ha sr e s i d u a lp l a s t i cs t r a i na n dt h eh o tc o n t r a c t i o ns t r a i n , b a s e do n t h ec e r t a i ne x p e r i m e n t a lq u a n t i t ya n dt h es u p p o s i t i o no fc e r t a i nd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n , t h e nt a k e sa l li n t r o d u c t i o no f r e l a t e dt h e o r ya b o u tr e s i d u a ls t r e s s t h ea b o v ew o r kc a n h e l pt ou n d e r s t a n dt h ef o r m i n gr e a s o n so f r e s i d u a ls t r e s s ，a n du l t i m a t e l yl a y sat h e o r y f o u n d a t i o nf o r t h et e s to f w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ； ( 2 ) t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sr e s i d u a l s t r e s st e s tm e t h o d s ，u sb l i n d - h o l e m e t h o dc o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gc h a r a c t e r sa n df a c t s ，t h e nc a r r i e so nd e t a i l e d i n t r o d u c t i o no fi t st e s tp r i n c i p l ea n dp r o c e s st op r e p a r ef o rw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s t e s t ： ( 3 ) f o rt h es a k eo fk n o w i n gt h e s i z ea n dd i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s so fm i l l w e l d e dj o i n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e p a r a t e l ym a n u f a c t u r e sat s h a p ew e l dj o i n ta n db u t t j o i n ts e l e c t i n gr a wm a t e r i a lo fm i l l t h es i z eo ft e s tp l a t e si ss 锄et ot u b eb o d ya n d s l i d e r - s h o et h i c k n e s s t h e nu s e sb l i n d h o l em e t h o dt oe x p e r i m e n to nt h ets h a p e n - 武汉理工大学硕士学位论文 w e l dj o i n ta n db u t tj o i n tb a s e do nt h ea c t u a lw e l d i n gp r o c e s s a tl a s t , t h es i z eo f r e s i d u a ls t r e s so nt b es u r f a c eo fw e l d e ds i r ea n di t sn e a rr e g i o no ft h ee x p e r i m e n t a l m o d e l si nt h ec o n d i t i o no f n o n - a n n e a l i n ga n da n n e a l i n gh a sb e e na c q u i r e d ； ( 4 ) t h i sd i s s e r t a t i o nf m a l l yc a r r i e ss p o tt e s to nt h es u r f a c eo f w e l d e ds i m a n di t s n e a rr e g i o no fm i l lp r o d u c e db yc b m ic o n s t r u c t i o nc o l t d t h es i z ea n d d i s t r i b u t i o nr u l eo fr e s i d u a ls t r e s si so b t a i n e dt h r o u g ht h ec o n t r a s to fs a m et e s t p o s i t i o ni n t h ec o n d i t i o no f n o n - a n n e a l i n ga n da n n e a l i n g , a n dt h i sp r o v i d e sab a s ef o r t h ep r a c t i c ea n ds u m m a r i z a t i o no f r e s i d u a ls l i 七s sd i s t r i b l n i o nr u l e k e y w o r d s ：w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ；f o r m i n gm e c h a n i s m ；t h e o r ya n a l y s i s ；b l i n d h o l e m e t h o d ；d i s t r i b u t i o nr u l e ； 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄鱼篷垒导师签名：也! i = 堂日期：蛐躅 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 残余应力是指在没有外部因素( 力或温度) 作用时就己存在于材料内部并 自相保持平稳的应力。残余应力可分为如下3 类：机械加工产生不均匀的塑性 变形：装配时的尺寸公差；温度不均造成局部的热塑性变形，焊接、热处 理残余应力就属于这一类。 焊接残余应力由于在焊接处产生极不均匀的温度场，使温度应力与相变应 力分布不均而造成的。它与被焊接的形状，焊接速度等因素有直接关系。也就 是说，焊接过程中不均匀温度场造成的内应力达到构件材料的屈服极限，使局 部区域产生塑性变形，随着构件冷却，在构件里产生的内应力叫焊接残余应力。 另外，金属在发生相变时比容也发生变化，即体积发生变化，伴随着这种楣变 所出现的体积变化将产生新的内应力，这种叫相交应力。有些金属在焊接过程 中，也会同时发生相交应力，与上述塑性变形引起的应力迭加起来统称焊接残 余应力。 焊接残余应力和变形，一直吸引着世界范围内焊接专家、学者的注意力， 通过多年的研究，到2 0 世纪7 0 年代初期大致奠定了焊接残余应力和变形理论 的基础。例如前苏联学者库兹米诺夫c a 3 1 等完善了建立在一维条件下的残余塑 性变形理论，认为焊接加热过程中焊缝和近缝区内因其膨胀受制而产生的塑性 压缩应变是导致焊接残余应力产生的主要原因。增渊兴一【4 】用有关非协调性应变 引起应力的基本理论研究焊接残余应力和变形。随后的主要研究都集中在焊接 残余应力测试、计算和消除等方面 6 6 1 1 6 7 1 6 8 。 1 2 焊接残余应力测试研究的进展【1 4 3 6 3 焊接残余应力的测量问题，早在本世纪3 0 年代就己为人们所关注并开始从 事研究，并且均使用破坏性较大的机械测量方法。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 国外焊接残余应力测试研究的进展 4 0 年代中期以来，由于电阻应变计( 片) 的发明，电测法有了很大的发展，它 与机械测法配合使用，大大降低了机械测法对构件的破坏性。在无损的物理测 量方法方面，先后开发了x 射线测法、磁性测法、光测法和超声波测法等方法 1 1 2 1 。 【1 4 】采用剥层法测量3 0 4 型不锈钢焊层管的残余应力分布，总体残余应 力的计算由沿着轴向表面剥层释放的应力进行的。 为了研究结构钢焊接接头的残余应力分布，w e n g 1 5 】采用改进的盲孔法( 标 定应变系数法) 对三种接头十二个试样的残余应力场进行了测定。由于局部塑性 变形将引起钻孔附近应力集中，使得盲孔附近的应力不真实，为了计算其影响， 通过一系列标定试验获得新的标定系数，然后使用新的标定系数测定残余应力， 这种改进的盲孔法比传统的盲孔法节省了大量的时间，测量结果与使用截面方 法测量结果相吻合。y e n 1 明和w a n 9 1 1 _ 7 】也对此方法进行了证实。 k o v a c 1 司介绍了电化学位移和使用应变计同时测量应变来测量残余应力的 方法，这种方法简单并可测量整个焊接试样截面残余应力的分布，不仅可以用 于焊接部件残余应力的测量，还可以用于其它方面残余应力的测量。 o d a 1 9 】采用超声波方法机械释放应力焊件的残余应力进行了测量，并用有限 元弹塑性分析应力释放对裂纹附近变形行为的影响进行了研究。声弹二次光折 射测量方法【2 0 】用于估算单焊道电子束焊接薄钢板的焊接残余应力场，由于残余 应力场的自动测量，控制四轴显示器的计算机可在焊件上获得所有的二次光折 射，其测量结果与盲孔法的测量结果相一致。a r a i 2 1 】和t a n a l a l 2 2 1 ，用此方法测量 焊接残余应力也得到了令人满意的结果。 x 射线法因其具有无损测量的优势一直得到广泛的应用。h i l b i n g e r l 2 3 】和 t a n a k a 2 4 1 分别用x 射线法测定了焊接残余应力。h i l b i n g e r 【冽的研究结果表明， 热膨胀在焊件表面引起压应力，而相变在焊件表面引起拉应力。 近年来，随着核物理技术在焊件工业上的广泛应用，中子衍射测量焊接残 余应力得到了迅速发展。b l a c k b u r n 2 s ! 使用中子衍射技术测量了熔化极气体保护 电弧焊h s l a 1 0 0 钢试件的残余应力分布。为了分析层与层之间的残余应力变 化，必须测量自由应力晶格参数d o ，然后用d o 值测定每一应力测定位置的应 力值。d o 值在焊道顶端最大，在较低的焊道逐渐减少到基面数值，这种分析证 武汉理工大学硕士学位论文 明在采用中子衍射技术测定焊接残余应力时，使用假定的d o 值是不充分的。 中子衍射技术应用于堆焊铁铝合金时【2 6 】，经过焊后热处理的试件会产生残余应 力的聚集，大部分残余应力是在焊后热处理的冷却过程中产生的，试验数据与 有限元分析在应变立体分布上是一致的。 直接测定焊接残余应力，可以得到焊件上直观的残余应力分布。但是，人 们更希望通过己得到的残余应力数据，来预测新焊件残余应力的分布规律，以 及由残余应力所建立的数学模型来预测焊接过程应力随温度的变化规律。所以， 采用数值法估算焊接残余应力的开发，对研究工艺因素的影响、预测预热和焊 后热处理的必要性是必须的。焊缝中的残余应力是弹性及塑性变形的结果，它 的模式化要求复杂的弹塑性分析。 近年来，用有限元法计算残余应力的计算技术有了显著的发展，理论预测 和实测结果的吻合程度不断地得到改善 2 7 1 口叼 2 7 1 3 0 1 。t a n g 3 1 1 采用与试验相关的 数值模拟方法对1 8 8 不锈钢对层焊焊后空冷或水冷情况下的应力分布进行了研 究，在适当的焊接条件下，冷却速度达到3 3 l r a i n 时，在焊件的内表面可以得到 双轴压应力，这将会改善1 8 8 不锈钢的抗应力腐蚀性能。 r o e l e 船p 2 1 提出了对3 0 m m 和6 0 r a m 厚两种边界和不同拘束条件下的对层氩 弧对接焊进行数值模拟，有限元计算是采用均匀计算热、冶金和机械特性的 s y s w e l d 计算机程序完成的。为了验证数值模拟每一步的正确性，将计算结果 与试验测量进行了对比。为了更好地理解其疲劳和断裂特性，模拟的目的主要 是测定组织的残余应力场。用x 射线法测量了焊件横截面上、下表面的残余应 力分布，用增量钻孔技术测量接头厚度应力分布。在3 0 m m 和6 0 m m 厚板试样 之间，在x 和v 型槽边界条件之间和在无拘束试板之间，模拟数值与测量残余 应力场的分布吻合得很好。t a k r i w a l t ”】采用有限元法对熔化极气体保护电弧焊的 三维过程热一机械应力、应变进行了分析。与电弧热输入相比较，在焊件过程 中由弹一粘一塑性应变所产生的热量是微不足道的，所以，热一机械分析可分 成两部分。第一部分是完成三维过程热传递分析和计算机输入焊件的热循环， 然后使用第一部分的结果，完成三维过程热一弹一塑性分析，计算焊件上的过 程和残余的畸变、应力和应变。这个热一机械模型综合了作为温度函数所有材 料的热物理和机械性能。用于数值模拟的边界条件相当全面，并和材料低碳钢 过程应变的试验进行了比较。计算和测量结果相当接近。 m o c h i z u k i 3 4 1 和y u 肌【”】，以固有应变理论为基础采用有限元法对三维残余应 武汉理工大学硕士学位论文 力场迸行了测量。根据这种方法，可以通过有限个测点来求出整个三维残余应 力场。上述应力场模拟只是考虑焊接循环对热应力的影响，而没有考虑焊接循 环过程中的相变应力变化，并且对相应的材料性能进行了简化。 m u r t h y i 拍】提出了采用有限元法对由焊接和冷却过程所产生的残余应力分析 的综合方法，在热和热弹塑性方程中，考虑了由于材料性能变化和与温度相关 的热传导系数的非线性以及辐射边界条件和固态相变的影响，一些厚板的对接 焊、管的环焊、板的多层焊以及随后的冷却情况在计算机程序编制时进行了试 验，并且将这些分析中获得的温度和应力分布与测量值进行了比较。 1 2 2 国内焊接残余应力测试研究的进展 国内对焊接残余应力的测试技术起步很晚，但发展迅速，特别是在上世纪 进入9 0 年代后，残余应力的测试研究得到了迅猛发展： 1 9 9 5 年张亦良【5 】用x 射线应力仪对c f - 6 2 钢制1 5 0 0 r r i s 3 乙烯球缸的焊接残 余应力进行了测试。测试结果表明；x 射线应力测试技术用于大型球罐残余应力 的现场测量是可行的；在焊态下测量的残余应力值较高，而焊后热处理使残余应 力得到充分的解放。 1 9 9 7 年董国兴等 6 1 对筒体的焊接残余应力进行了研究。他取制造筒体的同 样厚度的钢板，按照产品的制造技术条件制成试板。试板的截取方位符合球磨 机筒体的制造技术条件，焊接材料、焊接工艺以及焊后热处理均与球磨机简体 制造技术条件相同。探讨了焊缝附近残余应力的大小和规律以及在不同的热处 理方式条件下应力大小的对比。 1 9 9 9 年李庆湖等 r l 对焊接残余应力存在的危害及其消除的意义进行了探讨， 对焊接残余应力产生的机理及其分布规律进行了研究。 2 0 0 0 年姜翠香等哺】运用条形切割法对桥梁、建筑等结构设计中常用的厚板 焊接箱形杆件等构件的残余应力分布进行实例测试，通过对测试数据的分析整 理，得出厚板焊接箱形杆件和t 形杆件截面纵向残余应力分布情况，为进一步 总结焊接结构的残余应力分布规律提供了基础。 2 0 0 1 年月兰 9 1 通过小孔法与分割法对0 7 2 0 r a m 螺旋埋弧焊管和西3 8 0 m m 对 接焊管的残余应力测试，分析探讨了螺旋焊缝、环焊缝以及焊缝热影响区的残 余应力分布。研究结果表明：不同工艺焊接成型的圆管，其焊缝纵向均为拉应 力分布，焊缝横向均为压应力分布，焊缝热影响区的残余应力分布各异。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 3 年纪竹盛l j 卅对大型角焊缝焊接应力难以控制，特殊钢材的选用更加大 了焊缝的裂纹倾向性。为防止焊缝裂纹的产生，实际焊接前，对角焊缝的应力进 行了试验研究。检测结果与计算结果符合较好，说明材料参数比较准确，进而 说明试验方法合理，结果可靠。 2 0 0 4 年邬强等【1 1 j 对焊接容器错边和不错边的焊接接头进行了电测法的残余 应力测试，确定了焊接残余应力的大小及方向，并在加载的条件下对各焊接接 头测点进行了综合应力测试，并给出了受载条件下的应力分布。 2 0 0 5 年何小东掣“】采用小孔测试法5 l ；, j d 4 0 6 a 低合金高强钢钨极氩弧焊及不 同热处理状态下的残余应力进行了测试研究。结果表明：d 4 0 6 a 低合金高强钢 钨极氩弧焊在焊缝及其附近会产生约4 6 0 m p a 的残余应力；采用6 5 0 0 c 下保温 1 0 m i n 的局部热处理是较为合理的工艺，可达到整体去应力退火的效果，而且可 以避免焊接工件表面严重脱碳、降低焊接结构强度的危害。 2 0 0 6 年洪江波等 1 3 1 采用盲孔法对某大型耐压壳废弃壳圈环焊缝及两个模 拟模型进行焊接残余应力测试，结果表明：焊接残余应力普遍较大，m i s t s 应力 超过o 5 以的测点约占2 3 左右，另有1 0 0 p 2 0 的测点m i s t s 应力超过0 8 a ，, 接近屈服极限。 1 3 本论文的研究目的及意义 滑履磨机是水泥厂的重要设备，它属于大型焊接构件。构件焊接以后，内 部会产生焊接残余应力，同时产生焊接变形或裂纹。当构件承受外载后，焊接 应力与外载应力相叠加，造成局部区域应力过高，使构件产生新的塑性变形， 生成裂纹，甚至导致整个构件断裂。所以焊接残余应力对其疲劳强度和疲劳寿 命有着不可忽视的影响，必须在焊接前有清楚的了解，以便在焊接时采取措施 消除可能出现的问题。目前尚无对大厚度构件中的残余应力分布特征的充分研 究。然而为了保证焊接结构的安全可靠性，准确地了解焊接结构的残余应力分 布规律是迫切需要解决的重要课题。因此研究焊缝的焊接残余应力的大小和分 布规律具有重要的意义。 目前尚未见到有关磨机焊缝残余应力测试研究的相关报道。本文采用模拟 件来代替原尺寸形状的实物进行研究，各试板尺寸与磨机的简体和滑履的厚度 相同。应用通过实际改良后的检测手段，确保结果的真实性和可靠性，分别进 武汉理工大学硕士学位论文 行了t 形焊接接头和对接接头焊接工艺实验。最后对中材建设有限公司生产的 某型号磨机的滑履与圆筒之间和圆筒体之间的对接焊缝及其近缝区的表面残余 应力进行了现场测试。通过对退火前和退火后测点位置残余应力的数值及分布 规律进行对比，获得典型位置的残余应力的大小和分布规律，对生产实际具有 借鉴和指导意义。 1 4 本论文所做的主要工作 由于本文所研究的目的是根据现有磨机生产的焊接工艺参数，对磨机筒体 对接接头残余应力进行测试和分析，获得残余应力值和分布，来指导该产品的 生产和焊接工艺的优化。因此本论文主要围绕焊接应力的测试和分析展开，主 要的工作包括如下几个方面： ( 1 ) 对国内外焊接残余应力的形成机制进行了论述，并对其相关的理论研 究进行了介绍，为进一步了解焊接残余应力的产生，并最终为对焊接残余应力 进行澳4 试分析奠定了良好的基础。 ( 2 ) 对残余应力的测试方法进行介绍，并结合工程特点和实际，选用盲孔 测试法。并对其测试原理和过程进行了详细的介绍，为焊接残余应力的测试作 好了良好的铺垫。 ( 3 ) 为了了解其残余应力的大小和分布，分别选取了原材料制作了一个t 形焊接接头和对接接头，各试板尺寸与磨机的筒体和滑履的厚度相同。并应用 盲孔法分别进行了t 形焊接接头和对接接头焊接工艺实验，获得了在退火前和 退火后的试验模型焊缝表面及其近缝区的残余应力的大小。 ( 4 ) 对中材建设有限公司生产的某型号磨机的滑履与圆筒之间和圆筒体之 间的对接焊缝及其近缝区的表面残余应力进行了现场测试。通过对退火前和退 火后测点位置残余应力的数值及分布规律进行对比，得到了残余应力的分布规 律，为生产实际和进一步总结焊接结构的残余应力分布规律提供了基础。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章焊接残余应力的形成机制和理论分析 2 1 前言 焊接残余应力由于在焊接处产生极不均匀的温度场，使温度应力与相交应 力分布不均而造成的。它与被焊接的形状，焊接速度等因素有直接关系。也就 是说，焊接过程中不均匀温度场造成的内应力达到构件材料的屈服极限，使局 部区域产生塑性变形，随着构件冷却，在构件里产生的内应力叫焊接残余应力。 另外，金属在发生相变时比容也发生变化，即体积发生变化，伴随着这种相变 所出现的体积变化将产生新的内应力，这种叫相交应力。有些金属在焊接过程 中，也会同时发生相变应力，与上述塑性变形引起的应力迭加起来统称焊接残 余应力。 焊接结构中的残余应力是由于对接头局部快速加热和冷却过程中接头受到 较强的刚性拘束作用而引起的。残余应力的大小和分布直接与各种裂纹类线状 缺陷有关，同时也直接影响结构的静载强度、疲劳强度、承载刚度、应力腐蚀 及脆性断裂等服役性能，对焊接构件的加工精度、尺寸稳定性也有不容忽视的 影响【7 3 7 4 】【硼。焊接残余变形也与残余应力的存在或释放密切相关，因而对焊接 残余应力的形成机理及其分布规律的研究是焊接结构分析中的重要理论基础， 受到研究工作者的普遍重视。为了简化繁琐的理论分析过程，几乎所有的教材、 专著及研究论文均从无限长板条受电热丝加热所带来的残余应力和变形分析人 手，继而以板上堆焊的模型来近似地描述焊接过程中应力的演变过程，最终以 板边堆焊的模型来描述对接坡口焊接接头中应力的产生及演变( 例如将其视为 两个板边堆焊模型的叠加) 。然而，焊缝的形成过程中经历了金属的凝固及降温 过程，在焊缝轴线上的高残余应力与塑性压缩变形无关，因为焊缝金属仅经历 了降温过程，且板上堆焊的残余应力形成机理更不能用于分析厚板电渣焊，v 形 坡口对接焊焊缝中三向应力的形成，对焊缝上横向残余应力符号的解释也极为 勉强。作者注意到止焊处通常有弧坑出现，而弧坑中出现裂纹的可能性较大， 故焊缝的受制约体积收缩可能与焊接残余应力的产生有较为密切的关系。 虽然压缩塑性应变和残余热收缩应变均导致焊接残余应力，但其作用的方 式和形成机理不同，因而不能将其混为一谈。因此，本文对残余应力的形成机 7 武汉理工大学硕士学位论文 制进行了详细的阐述，同时也对其相应的理论研究进行了介绍。 2 2 焊接残余应力形成机制分析 2 2 1 关于残余塑性应变与热收缩应变等价的分析 文献【7 0 】中作了详尽分析和讨论，其核心内容为，通过一维热弹塑性分析， 经历了热循环：瓦( 环境温度卜，瓦( 高于材料的弹性丧失温度) 一瓦和热 循环；已一瓦后，两端拘束分别为膨胀受刚性拘束但可自由收缩、杆件两端 均刚性固定、膨胀与收缩均受弹性拘束等三种条件时，杆件在两种热循环下产生 的应变均为等值、同号，即热循环所出现的残余压缩塑性应变与热循环中的 热收缩应变基本等价，进而得出了长板条焊接时焊缝经历加热过程和不经历加热 过程而直接冷却下来的情况无区别的结论，描述平板堆焊时应力应变形成过程结 论( 类似于图2 - 1 ) 便可直接用于坡口焊接头应力应变形成过程的分析了。 曲r g r r n 兹烛。曲d d b n _ m 旧榭 i 一5 囊留彤。，、l d h n 。，t 日踟l i ， t 惫爿! 1 刈m 山盈 l ，、 昼乱，j 1 1f l 嗣，订 琵琵 图2 i 低碳钢焊接时纵向应力应变分布 但仅从应变的值和符号相同并不能得出两者等价的结论。首先，循环和 循环之间是没有可比性的，因为根据塑性变形时金属体积不变的原理有残余 压缩应变的杆件与仅经历了收缩的杆件内部的应变情况存在差别，特别是在板 件为二维空间的情况下更难以成立；其次，压缩塑性变形分析的前提是焊缝下 母材处于固态，而焊缝自身( 包括由无填充焊丝的t i g 热源在薄板上所形成的 焊道) 却要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩，情况复杂得多；再次，对己 经发生压缩塑性变形的体系而言，拘束的作用是通过塑性拉伸使其回到初始平 武汉理工大学硕士学位论文 衡状态，而对热收缩应变的拘束是通过拉伸使其远离其在环境温度下的平衡状 态；最后，焊接残余应力的形成机制不同，便可有针对性地采取措施消除和调 控其大小和分布，焊接残余应力的形成机制不同，调控措施方面可能大相径庭。 例如在受制收缩是残余应力产生的主要原因时，可通过部分解除拘束的措旋来 调控焊接残余应力【7 1 】，而建立在减少压缩塑性应变以调控残余变形理念之上的 急冷法，在实施时却得到了急冷和无急冷试件的最终收缩量几乎相同的结论 4 1 。 有无坡口的焊件残余应力与变形产生的结果完全类似，可以归因于焊缝的截面 和冷却收缩大致相同。 2 2 2 关于固有应变的分析与完善 文献【6 s 】认为固有应变可视为内应力的产生源，等于总的变形应变减去弹性 应变，而焊接过程中的固有应变是塑性应变占。、热应变岛和相变应变s 。之和， 在不考虑相交应变时，残余压缩塑性应变和残余热收缩应变都是固有应变【7 0 1 。 无论焊件上有无坡口，焊缝处在完全冷却之后也不会出现残余压缩塑性应变， 只会出现拉伸应变( 包括弹性和塑性拉伸应变) ，因而作者认为在不考虑相变应变 时，焊缝处的固有应变应为塑性拉伸应变。如下所述，在近缝区母材上，由于 残余应变为拉伸应变( 己发生的塑性压缩变形是不可恢复的永久变形，焊件的平 衡端面应短于初始值) ，故可将焊接工件上的固有应变统- - n 塑性拉伸应变上来。 2 2 3 关于焊接残余应力的形成机理的讨论 对于纵向残余应力的产生过程，一般用图2 1 描述：曰为板宽，岛为自由 变形，t 为外观变形，占。为屈服应变，段是弹性区，甜段应力达盯，d 点对 应着5 0 0 0 c ，屈服极限降低直至e 点为o ( 对应6 0 0 0 c ) 。随后的降温过程中，焊缝 及近缝区的收缩受到母材的刚性制约，己发生了塑性压缩变形的区域又因受到 塑性拉伸补偿部分压缩塑性变形量，最终出现拉伸残余应力的区域将与高温下 受到塑性压缩的区域对应，除弹性拉伸区外还有塑性拉伸区存在( 即图2 1 下部 的剖面线区域) ，弹性拉伸区与残余拉应力相吻合。显而易见，母材中的塑性压 缩应变是导致低碳钢板上堆焊时纵向残余应力的主要原因。计算结果表明，在 全刚性制约的前提下，q 2 3 5 钢板加热时达到压缩塑性应变的温升约为1 0 0 0 c t 7 2 】。 塑性压缩应变理论还用于描述横向残余应力形成过程，其基本观点是对接焊缝 9 武汉理工大学硕士学位论文 横向收缩的主要部分是由于母材收缩引起的，母材在焊接过程中膨胀，当焊缝 金属凝固时，己膨胀的母材必然受到塑性压缩，该收缩就是横向收缩的主要部 分，焊缝本身的收缩大约只有实际收缩1 0 4 l 。采用截面法将对接接头沿焊缝轴 线切开之后，由板边堆焊时所产生的变形趋势推得o r ：的分布：焊缝上必然存在两 端为压应力，中心附近部位为拉应力的横向应力o r ：【7 2 】。 图2 1 中所描述的板上堆焊模型只适于描述堆焊耐磨层等场合，与实际对 接接头差别较大川。另外，将材料力学中的截面法用于分析横向残余应力的科 学性值得探讨，因为它一般仅适于弹性体系，在添加盯：分量使分离后的钢板几 何形状复原之后，并不能保证整个力学体系恢复到分离前的状态，因为这是一个 至少在二维空间上的力学平衡体系，例如添加以分量后无法保证使吒分布复 原。 作者认为，在不考虑相变的情况下，除了传统机理所描述的母材中的压缩 塑性变形引起焊接残余应力之外，焊缝金属冷却时的受制收缩也是导致焊接残 余应力产生的重要原因【7 ”。 综上所述，残余应力产生的原因极为复杂，焊接残余应力随焊缝的形状、 位置、尺寸及焊接的工艺、顺序、速度等条件而显著不同。另外，焊件在高温 下发生塑性和热塑性，而且钢材在高温下的屈服强度和变形模量等都随温度升 高而显著降低或变化。因而，残余应力的精确计算比较困难，所以测试法仍是 目前获得残余应力大小和规律的一个重要的途径和方法。 2 3 残余应力的理论分析 为了从理论上分析焊接残余应力的产生机理和分布模式，国内外许多学者进 行了大量的理论研究，取得了很大进展。主要包括下面几个方面。 2 3 1 利用固有应变概念分析残余应力 日本学者上田幸雄等人提出了固有应变理论【5 6 1 。关于固有应变概念可以解 释如下： 将物体处于既无外力也无内力的状态下作为基难状态。设物体中某一单元 的相邻两点p ，q 间的距离氐，当物体处于受力状态下，p ，q 两点距离发生变 化成为西，则产生的应变为： l o 武汉理工大学硕士学位论文 占= ( d s d s o ) d s o( 2 - 1 ) 占是物体单元由于状态变化产生的应变，称为变形应变。 若从处于应力状态的物体中将包含p ，q 两点的微小单元分割出来，使应力 释放，则该单元就处于自由状态。此时尸，q 两点的距离为西，由于应力释放而 相应的弹性应变为： t = ( d s 一凼) 矗( 2 2 ) 变形应变除去弹性应变后的剩余应变为： 占= ( 万一氐) d ( 2 - 3 ) j 就是所谓固有应变。它表征从应力状态切离后而处于自由状态时，与基 准状态相比而发生的应变。 对焊接结构，固有应变是塑性应变 f ，温度应变 占) ，和相变应变 占k ， 三者之和。 占 - - d ，+ 占 ，+ 占) ，( 2 - 4 ) 焊接构件经过一次焊接循环后，温度应变 g ，= 0 ，固有应变就是塑性应变 和相交应变之和。 考虑到焊接的实际情况，由于焊弧处的局部高温，焊缝及其附近的高温区 积累了压缩塑性应变，此外相变也多发生在焊缝及近缝区，因此，可以认为固 有应变仅存在于焊缝及其附近。 用固有应变法测量残余应力的基本原理为： 在平衡物体内，各点的弹性应变岛，一般可用如下函数形式表示： 岛( x ) = o ，p ，v ) ( 2 5 ) 式中： x 一物体内任一点位置的矢量； p 一固有应变矢量； v 物体形状矢量。 将物体内未知的固有应变用g 个参数 占 以级数形式表示成： e , s ( 力= 厂( x ，i ，乏e ) ( 2 6 ) 代人公式( 2 5 ) 中，考虑到在截面离散的情况下，弹性应变就成为坐标x 参 数 占+ ) 和物体形状v 的函数： ( x ) = ( x ，i ，蠢，；) ( 2 7 ) 假若测量g 个应变值气，且嚷的函数薪存在，那么 白= 吕【占州( 气) ，f m ( ) ，v ) ( 2 - 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 从而就可求得固有应变分布的函数 占 ，再根据公式( 2 7 ) 可确定其它被测点 从以上推导不难看出，瓦，岔都与物体的形状有关；一般情况下几何形状 各不相同，用解析法是不可能求得呓和西的，这时可借助有限元法来解决。 2 3 2 基于一定试验量的理论分析 如w , c h e i l g 等【5 7 】应用逐层铣削法对局部区域残余应力进行了理论分析。他 们认为每铣削一层所产生的变形由伸缩和弯曲组成，建立了仲缩弯曲模型。 在图2 - ：2 伸缩弯曲模型中，某一 厚度内的残余应力为仃：，在切割此厚度 时测得的应力变化为仃：，则： t = ( 一z 2 6 h( 2 9 ) 或t = 一i l 矿2 6 h ( 2 9 a ) 这里盯：可是根据切割a h 层时顶部应变变化算得的。 z = 专【一比】( 2 - 1 0 ) 当a h 很小时，我们可以认为层间只有反对称于焊缝的剪应力。以福里埃级 数表示剪应力和应力函数，根据边界条件，最后求出残余应力的分布。 1 又匡三三三黔又巨重三三三兰主黔 l v 2 盈曲 但是此法有较大的缺陷，如仅把注意力放在焊缝及附近残余应力达屈服点 的部位，缺乏对整个截面详细描述。另外板厚与塑性区宽度之比对结果影响较 大，当h a 1 时( 见图3 ) 比较适宜，否则误差较大。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 板厚与塑性区宽度之比 2 3 3 假设一定的分布函数求残余应力的分布 如文献【5 司【5 明中，假设由残余应力引起的压缩塑性变形分布模式，去求残余 应力的分布。文献【删引进了s c r e wd i s c l i n a t i o 的强度对应于一定拘束的概念，然 后通过弹性理论去求解残余应力。 以上的研究是在焊缝完全冷却后进行的。如果我们从热弹塑性应力应变分 析整个焊接热循环过程来认识问题，具有十分重要的意义。但存在的影响理论 分析的因素有； 焊缝附近域内的温度梯度非常大； 在靠近焊缝区，应力超过了弹性极限，材料发生塑性变形，亦即出现非 线性变形： 材料性能对温度的依赖性。由于温度变化非常大，必须考虑材料性能随 温度的变化，在有些情况下，还要考虑由于相变引起的性能变化； 边界条件复杂。如以下一个对接接头为例，在焊弧前的板是分开的，而 在焊弧后的板已经焊在一起，其边界条件随时问而发生了变化。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 一般焊接热的分析过程 1 4 边界条件 材料热性能 冶金数据 连续冷却变态曲 线、膨胀曲线 边界条件 力学特征 热膨胀及力学特性和温度的依赖 武汉理工大学硕士学位论文 但是由于近年来计算技术及高速计算机的应用，用有限元法解此类问题已 成为可能【6 1 1 。一般来讲，这种焊接热过程分析可以用图2 - 4 表示。 对低碳钢，相变一般发生在较高的温度，此时材料屈服强度很低，材料容 易变形，因此对最终的残余应力影响不大，可以忽略。这样就可以把问题简化 为热传导( 即瞬态温度场的计算) 和力学状态( 即热弹塑性应力应变分析) 两个过 程。 热传导过程 第一个热传导过程，如果我们对固定时n t 求解，把a t & 看成是坐标x ，y ， z 的函数，则温度场函数r o ，y ，z ) 应满足的微分方程和边界条件与泛函数，仃) 取 极小值问题等价。 ，( 1 0 = 胍侄咿丁，科+ ( a t ，剀2 巾丁，出) 2 】+ 丢詈r 卜舭+ i ：哇一仍凼 ( 2 1 1 ) 将求解区域进行单元划分，把各单元对微商a ，( r ) 明的贡献进行迭加，可得 整体方程组： 等= 莩等= o 明争铂 、 或写成 吲即t c 】巾 = 。 最后可以得到： 【硇既= 【弧r ，一r + = o ( 2 - 1 3 ) 于是，可由初始时刻的温度分布，依次求出各时刻的温度分布。 热弹性应力应变分析 有了瞬时温度场的分布，就可用有限元法对第二过程进行热弹塑性应力应 变的分析。可利用增量理论分析计算弹性区和塑性区两部分。 ( 1 ) 弹性区 全应变增量可表示为 d e = d s ) 。+ 如 ， ( 2 1 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 d 占 。为满