（工程力学专业论文）硬质合金钎焊接头残余应力分析.pdf

学科：工程力学 研究生签字： 指导教师签字 硬质合金钎焊接头残余应力分析 摘要 硬质合金具有高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点，广泛应用于阀门、钻机等 的密封装置、各种金属切削工具以及制造各种模具、量具和耐磨损机械零件等，并收到了 显著的效果。但由于这些材料塑性、韧性、抗冲击性都较差，在与其他材料钎焊冷却过程 中常会因材料的性能参数的不匹配而使接头处产生相当大的残余应力、变形甚至产生裂 纹，因此对硬质合金与其他材料钎焊后残余应力大小及其分布进行预测具有一定的理论和 现实意义。 本文首先对焊接过程中的温度场和应力场的基本原理和数值模拟分析方法进行了阐 述。在数值模拟计算过程中，采用a n s y s 软件的热一结构耦合功能，对使用c u z n m n 钎 料链接y g 8 硬质合金与a 3 钢钎焊接头的残余应力进行研究。通过数值模拟的方法分析 了接头硬质合金中残余应力的大小及分布。并研究加压处理对接头残余应力的影响，探索 减小残余应力产生的机理。 本文采用有限元方法，分析了在钎焊条件下，接头区硬质合金的焊接应力在室温下 的分布状态。结果表明：接头冷却到室温时，硬质合金接头存在很大的应力梯度，其中硬 质合金靠近钎缝侧残余应力最大，在硬质合金与钎料一侧接触面靠近焊接边缘区域为危险 区域。 加压处理结果表明：加压时，残余应力随载荷的增大先减小后增加，接头强度先增 大后减小。 关键词：硬质合金；钎焊； 数值模拟；残余应力 a s t u d yo fr e s i d u a ls t r e s s to ft h eb r a z i n ga b o u tc e m e n t e d c a r b i d e a l l o y d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s s t u d e n ts i g n a t u r e ： 厶j6 啪嘲 s u p e r v i s o rsigsupervisors i g n a t u r e ： 锄夕办锄 a b s t r a c t t h ec e m e n t e dc a r b i d eh a s a d v a n t a g e s o f h i g hh a r d n e s s ，r e s i s t a n t t oe l e v a t e d t e m p e r a t u r e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n ta n dg o o dw e a r - r e s i s t a n c e i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h e h e r m e t i cu n i t ，c u t t i n g t o o l s ，d i e ，m e a s u r i n gt o o l sa n da n t i a b r a s i v ec o m p o n e n t sa n dt h ee f f e c ti s n o t a b l e b u tt h e r ew i l le x i s th i g hr e s i d u a ls t r e s sa n d d i s t o r t i o n ，e v e nc r a c k s ，n e a rt ot h ei o i n td u e t ot h em i s m a t c ho fm a t e r i a lp e r f o r m a n c ed u r i n gt h ec o o l i n g p r o c e s so fb r a z i n gw i t ho t h e r m a t e r i a l t o l a r g e a r e ac e m e n t e dc a r b i d e c i r q u e ，i t i se a s i e rt o g e n e r a t e c r a c ka n d d e h i s c e n c e t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt of o r e c a s tt h er e s i d u a ls t r e s so ft h eb t a z e dw o r k p i e c e b e t w e e nt h ec e m e n t e dc a r b i d ea n do t h e rm a t e r i a l s t h ep a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h et e s t i n gm e t h o d so fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n dt h eb a s i c t h e o r i e so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i nt h ep r o c e s s i n go fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t e e lp l a t e w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ，w i t ht h et h e r m a l - s t r u c t u r ec o u p l i n gf u n c t i o no fa n s y ss o f t w a r e ，t h i s p a p e rd u ew i t hr e s i d u a ls t r e s so ft h eb r a z i n gj o i n t sb e t w e e ny g 8c e m e n t e dc a r b i d ea n da 3 s t e e lb yu s i n gc u z n m nf i l l e ra l l o y s t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n t s ，t h e m a g n i t u d 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 sw a sa n a l y z e d t h ee f f e c t so fa p p l i e dl o a d so nt h e r e s i d u a l s t r e s s ，i n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r ea n db o n ds t r e n g t hw e r ea l s oe x a m i n e d t h e m e c h a n i s mt or e d u c er e s i d u a ls t r e s sw a sd i s c u s s e d b ym e a n so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s sw a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tal a r g es t r e s s g r a d i e n te x i s t e di nt h ec e m e n t e dc a r b i d ea tr o o m t e m p e r a t u r e ，a n dt h e r ew a sam a x i m u mr e s i d u a ls t r e s si nt h ec e m e n t e dc a r b i d en e a rt h ef i l l e r a l l o y s t h ea r e an e a rt h ee d g eo ft h ec o n t a c ts u r f a c eb e t w e e nc e m e n t e dc a r b i d ea n db r a z j n g s e a mi st h em o s ts e r i o u sd a m a g i n ga r e a 1 1 1 f o rt h ea p p l i e dl o a d sd u r i n gb r a z i n gt i m e ，i tw a sf o u n dt h a tt h el o a dw a sa p p l i e dw i t h i n c r e a s i n gt h ep r e s s u r e ，t h er e s i d u a ls t r e s sr e d u c e da n dt h e ni n c r e a s e d ，w h i l e ，t h es h e a rs t r e n g t h e n h a n c e da n dr e d u c e dl a t e r k e y w o r d s ：c e m e n t e dc a r b i d e ； b r a z i n g ； r e s i d u a ls t r e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 符号 e 伊 y 7 q k 口 c 弓 a i p x 瓦 p 主要符号表 名称 弹性模量 正应力 泊松比 正应变 剪切应变 热流密度 导热系数 对流换热系数 材料比热 介质温度 热膨胀系数 固体表面温度 材料密度 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位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学位论文。 日期： 6 专，s 。乙乙 氏k 别嘭经侈 ， 孙、沙 签 ： 者 名 作 签 文 师 论 教 位 导 学 指 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：稚霾瓦 指剥撇：瑚，哆 日期：咀岁、z 2 ， ， 5 l 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 由于硬质合金具有高硬度、耐磨性能，特别是在高温下仍能保持其高硬度，所以已经 成为现代工业中十分重要的工具材料。近年来，随着金属和其他材料切削的作业量日益增 多，对刀具的性能也提出了更高的要求。硬质合金是用粉末冶金方法生产的由难熔金属化 合物与粘结金属所构成的组合材料。其硬度比陶瓷、金刚石及立方氮化硼稍低，但比高速 钢要高得多，而韧性比高速钢略低，但比陶瓷、金刚石及立方氮化硼好的多，这就决定了 硬质合金在刀具行业不可替代的地位。它主要用于切削工具、模具( 成形工具) 、地质矿山 工具以及耐磨损件等。硬质合金刀具的主要优点之一是在切削温度下，其红硬性比高速钢 刀具要高，这一性能使得硬质合金刀具能以远高于高速钢刀具的切削速度进行切削。而且 用其制作的易磨损件的使用寿命是用其它金属耐磨材料制作的易磨损件的几倍、几十倍、 甚至上百倍。然而，硬质合金硬度高、脆性大，用其制作的易磨损件往往在尚未达到由硬 质合金耐磨性所决定的使用寿命时，就因破损、断裂等早期失效而达不到预期的使用效果， 并且硬质合金中的钨和钻都是稀缺材料，价格昂贵，这些都限制了硬质合金的应用。 由于硬质合金价格昂贵，塑性和冲击韧性较差，因此常用做镶嵌件，固定于钢基体等 制造工具的工作部位。实际生产中，钎焊和扩散焊作为成熟的硬质合金连接方法得到了广 泛的应用，其中钎焊技术以工艺简单、连接强度高、结果重复性好、接头尺寸及形状适应 性广、相对成本较低、适合规模化生产等一系列优点而成为首选技术，钎焊已经成为硬质 合金牢固地连接到钢基体金属上的最成功方法之一【l 】。 硬质合金由于含碳量高，妨碍钎料的润湿，特别是由于硬质合金与钎料和钢基体之间 的力学性能、热物理性能有着叫大的差异，所以在焊接和焊后的冷却过程中会在焊接接头 附近产生很大的热应力【2 】。这种应力的存在，会使焊缝内部产生裂纹降低焊接接头的强度， 甚至引起开裂，特别是硬质合金的塑性、韧性都非常差，抗拉强度低，因此很容易在硬质 合金与钎缝之间形成焊接裂纹【3 】。因此，想要减少焊件的残余应力及变形，首先要了解焊 件的残余应力的大小和分布状态。 本文旨在分析模拟硬质合金钎焊接头残余应力的分布，及残余应力的主要影响因素。 1 2 硬质合金焊接的发展与现状 1 2 1 硬质合金连接技术的发展 硬质合金的主要焊接技术有钎焊、扩散焊、激光焊等。刘寿荣等研究了高频钎焊同时 淬火处理对w c 一2 0 ( 2 0 硬质合金刀片显微结构和性能的影响。结果表明，在1 0 0 0 - - - 1 2 0 0 。c 温 1 西安1 ：业人学硕士学位论文 度范围内处理将导致w c 2 0 c o 合金刀片中w c 相邻接度下降、韧性改善和硬度提高等一系 列淬火效果。断口形貌微观特征也表明了合金韧性的提高。朱正芳研究了y n l 0 硬质合金 的钎焊性能。针对y n l 0 硬质合金刀片在刀具钎焊中容易产生裂纹的问题，对焊料、保温 温度、保温时间及加热速度等影响钎焊性能的因素进行了试验研究，提出了控制焊接质量 的措施。刘忠侠等采用中频感应加热法将硬质合金头钎焊及母体淬火工艺一步完成，探讨 了不同组合工艺对钎焊拉伸强度的影响。发现，钎焊后直接淬火工艺简单，在3 0 0 c 回火时， 由于b 相的析出及细小的丫相对1 3 相的强化作用而使钎缝拉伸强度提高；在4 0 0 回火时， 由于丫相的增多及长大而使钎缝拉伸强度下降。葛延刚等提出了以激光作为焊接热源，以 c u 为填充材料进行硬质合金连接的新方法、对焊接试样的显微组织进行了分析讨论。给出 了在激光作用下，硬质合金铜钎焊接头的焊缝、母材及钎焊界面处的成分和组织变化情况。 何柏林等通过对4 5 钢与y g 6 硬质合金的对接钎缝接头金相组织及强度分析，研究了钎焊 加热时间、焊后冷却方法等对钎焊接头强度的影响，通过试验确定了一定工艺条件下的最 佳钎焊时间及焊后冷却的几个工艺参数。吴建等对s n 2 0 2 5 钢与硬质合金的真空钎焊工艺进 行了研究，通过检测钎缝的机械性能并结合微观分析对钎料进行优选，针对选定的钎料， 进行真空钎焊工艺参数的正交优化试验，同样是通过检测钎缝的机械性能来判定最佳的工 艺参数。 1 2 2 硬质合金的钎焊方法 硬质合金的主要焊接技术有钎焊、扩散焊、激光焊等。而在硬质合金与钢的焊接方法 中，钎焊是最成功的方法之一，它包括有氧一乙炔火焰钎焊、炉中钎焊、真空钎焊、和感 应钎焊等，各种钎焊方法都有其优缺点。具体见表1 1 。 表1 1 各种钎焊方法的优缺点 2 1 绪论 使用硬质合金钎焊连接的产品包括材料表面改性、油井钻头、冷热冲量模具、轧辊、 刃具和量具、凿岩钎具、木工刀具等。在硬质合金的众多钎焊方法中，氧一乙炔火焰钎焊 设备简单，适用于单件和小批量生产，但气焊炬的选用及焊后热处理等多种不确定因素较 多，钎焊质量可靠性较小；感应钎焊、电阻钎焊和炉中钎焊的硬质合金刀具生产率高，质 量也较为稳定，但设备和工艺比较复杂；真空钎焊能达到很高的钎焊质量，但设备昂贵及 工艺难度大：因此，在选择焊接方法时，应该根据具体情况选择不同的钎焊方法，以适合 为主。通常炉中钎焊能够满足正常的刀具钎焊要求【4 】。 1 2 3 硬质合金的扩散焊 除钎焊方法外，还可以用扩散焊的方法焊接硬质合金，可以消除钎焊法的一些缺点： 接头脆化、动载强度低、易形成中间相、钎缝间隙大时，钎缝中钎料以铸态存在，钎缝间 隙小时，钎料难以润湿，造成钎缝部连续，接头强度降低。但扩散焊也有其缺点，如需要 专门的设备，设备投资大，一般只能进行单件焊接，生产效率低；普通的真空扩散焊设备 不能实现具有复杂特殊形状接面零件的焊接和钎焊相比，对连接表面加工要求严格外，工 件的清理，表面的制备，中间层材料、参数的选择都需要特殊的方式，方法复杂，对公人 要求高【5 】。 1 2 4 硬质合金的激光焊 硬质合金与钢基体的物理性能有很大的差异，导热率、熔点、线膨胀系数、热熔等参 数差别很大，硬质合金的线膨胀系数只有碳钢的1 2 到l ，3 ，而对于硬质合金的组成来说钴 相的热膨胀系数比碳化钨约大3 倍。高温焊接过程中碳化钨溶入钻相中，引起碳化钨和钴 相的张力状态变化，相变临界点位置的差异对施焊材料受力状态有明显的影响。激光作用 时的高温及其快速加热和冷却在焊接硬质合金等难溶金属过程中具有许多独特之处，值得 对其深入研究。激光在难溶金属焊接过程中利用高密度、细聚焦激光束来产生小孔效应， 具有热负载小的特点，可防止硬质合金的脆化现象。激光的加热速度快，抑制了钴的六方 体的多形性转变，激光的高功率密度和快速加热作用也是钴粘结相拉伸应力和碳化钨压缩 西安】：业大学硕十学位论文 应力增加。在共熔过程中，钨在钴相中的含量增加强化了粘接相，粘接剂的强度增大会更 有效的在材料中产生能量弥散，起到阻碍裂纹发展的作用。从这个角度看，它增加了局部 韧性，但钨在钴中含量增大会使粘接剂本身的性能变脆。激光的快速加热和冷却作用能使 碳化钨和粘接剂组织细化，也可以弥合表面裂纹和孔隙，消除一些晶格缺陷，提高焊件的 冲击韧性【6 】。 1 3 残余应力的概述 1 3 1 残余应力的概念 由焊接而产生的内应力称为焊接应力。焊接应力按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊 接残余应力。在焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化； 焊后残留在焊接构件内的焊接应力称之为焊接残余应力【7 】。焊接残余应力为热应力( 主要 为冷却应力) 。 在焊接过程中，由于焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热而膨胀，这种膨胀受 到周围较冷区域的约束，并造成( 弹性) 热应力：冷却时，由于钎料和母材( 尤其是硬质 合金) 的热物理性能差别较大，各部的体积变化差异也较大，从而产生较大焊接残余应力。 简单而言，焊接残余应力是由于焊接接头个部分变形不一所引起的内应力。 1 3 2 焊接残余应力产生的原因及其分类 焊接是把结构构件彼此之间连接起来，这种结合会使工件之间形成约束状态，在形成 约束的过程中，由于构件各部分的变形不一，就形成了内应力，焊后残留在焊件中的内应 力就称之为焊接残余应力。通常所说的焊接残余应力包括两部分：一种是当焊接构件处于 自由状态时，由于焊接而产生的应力，这种应力在焊接构件中保持自身平衡，称为焊接残 余应力；另一种是由于焊件构件以外的约束而形成的残余应力，成为约束应力。焊接残余 应力的形成，一般包括下列三个方面： 1 ) 直接应力。这是由于不均匀加热引起的，它取决于焊接构件加热和冷却时的温度梯 度而表现出来的热应力，是焊接残余应力形成的主要方面。 2 ) 间接应力。这是焊接前工序带来的应力，构件在冷处理后其表面会有应力存在，它 与焊接产生的应力叠加，并对焊接后的构件的变形产生附加的影响。 3 ) 组织应力。这是由于组织变化而产生的应力，它与含碳量及材料的其他成分有关。 此外，构件的变形特性对残余应力的产生也有影响。因为材料的屈服强度、弹性模量、 热膨胀系数等都与温度有关，屈服应力、弹性模量等随温度的升高而下降，热膨胀系数则 随温度的升高而增大。焊接温度场的准确计算是焊接残余应力计算以及焊接质量控制的前 提，因此，想要研究焊接残余应力必须先对焊接过程中的温度场进行分析，然后得出应力 的动态分布和应力场以及温度场的耦合。即先用热分析功能计算整个焊接过程的温度场， 4 1 绪论 然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析，得到应力场的整个动态变化过 程。 1 3 3 焊接残余应力对焊接结构的危害 1 ) 残余应力对结构的影响 由于焊接过程是个局部的不均匀加热、冷却过程，受焊缝及其近缝区温度场的影响， 焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力应变场。在焊件服役过程中，焊接结构 的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新 分布，这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还 会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂 的能力。现代大工业生产与新技术的迅猛发展，对焊接技术提出了更高的要求一高质量、 高经济性和高可靠性。焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能、安全可靠性的重要 因素，它在一定条件下，会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生十分不利 的影响。 ( 1 ) 对结构刚度的影响：当外载产生的应力s 与结构中某区域的残余应力叠加之和达 到屈服点s s 时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外荷载的能力， 造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时( 例如工 字梁上的肋板焊缝) ，或经过火焰校正，都可能在相当大的截面上产生残余拉伸应力，虽然 在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大 量火焰校正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸 精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。 ( 2 ) 对受压杆件稳定性的影响：当外荷载引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和 达到s s ，这部分截面就丧失进一步承受外荷载的能力，这样就削弱了杆件的有效截面积， 并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。残余应力对受压杆件稳定性的影响大小， 与残余应力的分布有关。 ( 3 ) 对静载强度的影响：如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外 力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限， 发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降， 导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变形 的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。 ( 4 ) 对疲劳强度的影响：残余应力的存在使变荷载的应力循环发生偏移，这种偏移 只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关。当应力循环的 平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉伸残余应 力，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余应力的影响也就越显著，因此，提高疲劳 强度，不仅应从调节和消除残余应力着手，而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中 系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。 两安t ：业人学硕+ 学位论文 ( 5 ) 对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响：季节n - r 把一部分材料从焊件上切除时， 此处的应力也被释放。残余应力的原来平衡状态被破坏，焊件产生变形，加工精度受影响。 组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在温室下的应力松弛微弱，因此内应力随时间的变 化较小，焊件尺寸比较稳定。低碳钢在室温下长期存放，数值为s s 的原始应力可能松弛 2 5 一3 ，如果原始应力较低，则松弛的比值将有所减少，但若环境温度升高至1 0 0 0 c ， 松弛的比值将成倍增加。 ( 6 ) 对应力腐蚀开裂的影响：应力腐蚀开裂是残余拉应力和化学腐蚀共同作用下产 生裂缝的现象，在一定的材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力 大小有关，残余拉应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。 2 ) 硬质合金与钢钎焊接头的断裂 硬质合金与钢接头的断裂情况大致可以分为三中： 第一种：断裂位置位于硬质合金钢的钎缝内。除了钎料本身的强度低外，这种断裂总 是发生在连接界面，或部分发生在这个界面上。它表明钎料与基体的界面连接强度不足。 引起这类断裂的因素有很多，例如：钎料的成分、焊接的工艺参数等。 第二种：断裂位置位于硬质合金的近缝区。发生这种断裂的前提是硬质合金的近缝区 的强度低于硬质合金钢的界面连接强度。 第三种：断裂发生在硬质合金的随机位置，这种断裂与连接界面无关，其前提是硬质 合金钢的界面强度很高。这是种理想的断裂方式。 从已有的实验和文章来看，排除偶然因素造成的断裂，几乎所有的硬质合金钢钎焊接 头的断裂位置均为第二种断裂，即断裂位置发生在硬质合金的近缝区。这种断裂对硬质合 金钢接头具有普遍性和规律性，因此研究这种断裂具有重要意义。 发生第二种断裂有两个必要条件：( 1 ) 硬质合金与钢之间存在一个强的界面连接力；( 2 ) 在连接界面附近存在残余应力。因此为了避免断裂发生在硬质合金的近缝区，就要努力降 低接头的残余应力。 1 4 焊接接头残余应力数值模分析 数值模拟是对具体对象抽取数学模型，然后用数值分析方法，通过计算机求解。经过 几十年的发展，开发了许多不同的科学方法，其中有：数值积分法；蒙特卡洛发；有限差 分法；有限元法。 其中有限元法起源于2 0 世纪5 0 年代航空工程中飞行结构的矩阵分析，现在它已被用 来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经被广泛的用于焊接热 传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。 研究焊接温度场是进行焊接力学分析的基础，温度对材料的力学性能有显著影响，很 多材料参数是温度的非线性函数。焊接热过程直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、 残余应力与变形。在焊接过程模拟的研究中，一般仅考虑温度场与应力场的弱藕合，即只 6 1 绪论 考虑温度场对应力场的影响，而忽略应力场对温度场的作用 在用有限元进行的硬质合金焊接残余应力的计算中，国内外已经有了不少关于这方面 的研究。在对硬质合金与异种材料的焊接接头残余应力进行分析的过程中，有限元法经历 了线弹性分析和弹塑性分析两个阶段。线弹塑性分析的前提是假设各种材料在整个过程期 间均为弹性体。这种假设对陶瓷、金刚石、硬质合金等材料来说是合理的，但对大多数金 属而言可能存在较大的差异，因为在焊接过程中金属可能发生塑性变形。因此，采用线弹 性有限元分析所得的残余应力数值的误差是很大的，有时甚至超过了材料本身的断裂应力， 但这种方法对于了解应力在接头中的分布趋势有着一定的指导作用【8 】。而弹塑性分析考虑 了金属塑性变形对于残余应力分布的影响，比线弹性分析的结构更接近于实际。尤其是考 虑了温度对材料性能变化影响的分析，使计算结果又向实际迈进了一步。但这时的结构网 格划分复杂，计算程序庞大，耗费时间很多，而随着计算机的发展，许多分析软件相继问 世，而且计算机的运算速度也在不断提高，从而为分析工作提供了便利的条件 9 】。目前对 于这种具有大组织梯度、性能梯度和残余应力的接头的有限元分析还不够，因此，这方面 的研究有待进一步深入进行。 1 5 本文主要研究内容 焊接残余应力会严重影响焊接结构的性能，引起构件的变形和断裂，因此，对焊接结 构的残余应力研究就尤为重要。由于焊接残余应力的测定麻烦，计算残余应力有极为复杂， 所以给残余应力的研究带来了许多困难。随着现代科技的发展，数值模拟技术的地位越来 越重要。一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来探讨各种 材料的最佳设计、最佳工艺和最佳焊接参数，所以越来越多的焊接工作者利用数值模拟来 研究焊接问题。 本文是在总结前人工作的基础上，从理论阐述焊接残余应力的产生、危害，并用有限 元分析软件对焊接残余应力进行模拟，针对硬质合金的焊接残余应力问题进行计算分析， 探索硬质合金钎焊接头中的残余应力分布情况，总结接头中应力集中的危险区域，并分析 不同钎焊压力条件下硬质合金钎焊接头残余应力的变化，为残余应力的理论分析和焊接工 艺提供参考。 两安1 ：业大学硕士学位论文 2 焊接残余应力的分析理论 2 1 焊接残余应力的测量 焊接残余应力的测量通常采用实验力学的方法，目前用来测量焊后残余应力的方法很 多，也比较成熟，包括机械方法和物理方法。机械方法一般属破坏性测试，或称为应力释 放法；在释放应力的同时测得其相应的弹性变量。其中包括：取条法、切槽法、剥层法、 小孔法等。物理方法都属非破坏性测试，也可以是非接触式测试，如x 射线法、表面弹性 波音测试法等 1 0 】。 2 1 1 破坏性应力释放法简介 1 ) 取条法：取条法是从存在残余应力的构件上切取矩形等截面细直条状试样，使切取 下的试样残余应力完全释放，测量试样长度在应力释放前后的变化，经换算得构件在切取 试样处原有的残余应力。 2 ) 切槽法：切槽法是在构件表面上切削沟槽，而这沟槽在构件表面上形成一定的区域， 使此区域内的残余应力释放，测量其应变以求得此处的残余应力。假定此处在切槽前残余 应力是均匀分布的，而在切槽后残余应力完全释放。沟槽的横截面形状大小及出沟槽所围 成的应力释放区的形状大小等均可根据需要确定。在此区域内标点，测得切槽前后标点之 间的距离的变化，即可推算出残余应力。 3 ) 剥层法：剥层法是从构件表面开始利用切削或腐蚀等方法将构件逐层剥除，使构件 内的残余应力释放。 4 ) 小孔法：小孔法是在应力场中钻4 , g h ，那时应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应 力将重新调整；测得孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理来推算出小孔处的残 余应力。 取条法、切槽法和剥层法对于测定构件的残余应力而言都是破坏性较大的应力释放法。 目前，在一般情况下，很少采用上述几种方法，更感兴趣的是破坏性较小的小孔应力释放 法。 2 1 2 无损测量法 无损测量法是非接触式测试。目前而言，无损测量法包括x 射线法( 用于表面应力测 量) 、电磁法( 使用于铁磁材料表面测量) 、开裂判定法( 氢致、腐蚀开裂、定性估测) 、超 声法、中子辐射法( 大厚度内部测量) 【1 1 】。 1 ) x 射线法 晶体在应力作用下原子间的距离发生变化，其变化与应力成正比。如果能直接测得晶 格尺寸，则可不破坏物体而直接测出应力的数值。当x 射线以掠角秒入射到晶面上时( 图 8 2 焊接残余戍力的分析理论 2 1 ) 如能满足公式： 2 d s i n 矽= n 2 ( 2 1 ) 式中，d 为晶面之间的距离， p 为入射角 五为x 射线的波长， n 为任一正数， 则x 射线在反射方向上将因干涉而加强。根据这一原理可以求出d 值。用x 射线以不同角 度入射物体表面，则可测出不同方向的d 值，从而求得表面上的内应力。x 射线法的最大优 点是它的非破坏性；但它的缺点就是：只能测表面应力，对被测表面要求较高，为避免由 局部塑性变形所引起的误差，需要用电解抛光去除表层，测试所用设备比较昂贵。 图2 1x 射线法测表面应力 2 ) 电磁法 电磁法是利用磁致伸缩效应测定应力。铁磁物质的特性是：当外加磁场强度发生变化 时，铁磁物质将身长或缩短。如用传感器与铁磁材料物体接触，形成一闭合磁路当应力 变化时，由于铁磁材料物体的伸缩引起磁路中磁通变化，并使传感器线圈的感应电流发生 变化，由此可测出应力变化。( 测试前，应先利用相同材料的无应力试样调零。) 电磁法所 用仪器轻巧、简单、价廉，测试方便、无损。但只能测铁磁材料，测试区域大，不能准确 的测试梯度大的残余应力，测试精度和标定方法有待改进。 3 ) 超声波法 超声波法测量应力的理论是以声弹性学为基础，声弹性研究表明，在没有应力作用时， 超声波在各向同性的弹性体内的传播速度不同于有应力作用时的传播速度，传播速度的差 异与主应力的大小有关。因此，如果能分别测得无应力和有应力作用时弹性体横波和纵波 传播速度的变化，就可以求得主应力。 超声波测量焊接接头残余应力，相对传统的方法，其优点是：无损、快速和实时。但 以目前的技术，超声波还存在以下不足： 9 两安：t ：业大学硕十学位论文 ( 1 ) 所测应力为声波传播方向平均应力； ( 2 ) 需标定声弹性系数； ( 3 ) 产生残余应力过程中的非弹性因素和材料的非均匀性影响了测量的准确性。 上诉缺点指明了超声波法以后发展的方向【1 2 】。 2 2 焊接过程的有限元分析特点 采用空间和时间有限元模拟焊接时材料及构件的热和力( 弹性一粘塑性) 行为，分析 焊接残余应力，并如弹性构件分析中那样划分较小的单元，即使在现代计算机时代，这也 是难以解决的事情。焊接过程的有限元分析具有以下特点g ( 1 ) 模型是三维的，至少在焊接区域应该如此，以考虑内部和表面的不同冷却条件： ( 2 ) 由于快速加热和冷却，模拟的过程是高度瞬态的，具有与位置和时间相关的极不 相同的温度梯度； ( 3 ) 由于材料的热一力行为，模拟的过程是高度非线性的，并与温度密切相关； ( 4 ) 局部材料的瞬态行为，取决于局部加热的历史和力学的应力应变历史； ( 5 ) 焊接材料熔敷以及凝固后改变构件的连接情况； ( 6 ) 模拟材料的状态及显微组织变化； ( 7 ) 临界情况下可能发生的缺陷和裂纹，是连续介质的概念受到怀疑。 虽然，今天有功能强大的计算机，但计算方法和软件的发展仍跟不上硬件发展的速度， 而且即使有可以采用的计算手段，但目前的收敛检验和误差估计方面也将遇到难以超越的 困难。在实际生产和力n - r _ 过程中妨碍焊接过程有限元分析的另一问题上一，在分析f j 需要 确定众多的材料性能参数及其与温度的关系。【13 儿1 4 儿15 】 如果在模拟中某些问题能起主导作用就不用考虑上述所有要点，这时只在有限元模拟 中研究主要的影响参数，有限元法就可以给出贴切的实际结果。这就涉及到模型的简化问 题。这点非常重要，这时，所属类型的简化就可以如下所述： ( 1 ) 将希望的三维力学模型简化为二维甚至是一维； ( 2 ) 简化构件几何、支座和加载条件； ( 3 ) 是模型对称或周期化； ( 4 ) 将非线性热弹性粘塑性模型简化为线性热弹性模型： ( 5 ) 将瞬态过程简化为准稳态过程； ( 6 ) 使热过程和力学过程分离； ( 7 ) 忽略高温发生的熔化、凝固相，以及随后在低屈服应力的相变过程； ( 8 ) 只用比热容和热膨胀系数综合体现低温相变； ( 9 ) 忽略蠕变和硬化，并对屈服规律进行简化； ( 1 0 ) 用瞬态总热量或快速移动热源取代热源的运动，并忽略热源运动方向上的热传导； ( 1 1 ) 用给定温度范围内与温度无关的平均值取代与温度相关的材料特征值： 1 0 2 焊接残余应力的分析理论 ( 1 2 ) 只用冷却过程来模拟残余应力的形成。 根据焊接工艺基础将焊接问题分解为温度场、应力应变场等，业已证明这种分解特别 对残余应力的数值分析处理很有价值。影响焊接应力的因素有焊接温度场，金属显微组织 和焊接应力应变场等，而焊接应力应变场的影响却很小，所以在分析时，一般仅考虑单向 耦合问题，只考虑焊接温度场和金属显微组织对焊接应力场的影响。而且在高温时因为屈 服极限较低，此时相变应力也很低，所以忽略相变应力不会给焊接应力带来较大的影响。 2 3 焊接温度场分析理论 2 3 1 热传递的基本形式 16 1 ) 热传导 物体个部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动 进行的热量传递称为热传导。热传导的一维导热方程为： q = 一k 竺 ( 2 2 ) = 一一 ij 式中，q ：单位时间内通过单位面积的热量，即热流密度( w l m 2 ) ； k ：导热系数( w i r e 2 k ) ； “一”表示热量流向温度降低的方向。 2 ) 热对流 热对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺合所引起的热量传递方式。 对流换热仅能发生在流体中，而且伴随着热传导。按引起流体流动的原因不同，对流换热 可以分为自然对流和强制对流。对流换热的基本公式为： q = 盯( t ，一丁r ) ( 2 3 ) 试中，口：对流换热系数( w m 2 k ) ； 丁w ：固体表面温度； 丁，：周围流体温度。 3 ) 热辐射 物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射，其中物体因热的原因发出辐射能的现象称 为热辐射。物体温度越高，其单位时间内辐射的热量就越多。热辐射不需要任何介质，在 真空中热辐射的效率最高。热辐射的计算公式如下： q = e f o 。t ( 2 4 ) 式中，q ：热流量( w ) t ：物体的绝对温度( k ) ：物体的发射率( 黑度，其值总小于1 ) 仃。：热体辐射常数，约为5 6 7 1 0 - 8 w i r e 2 i f 4 ；f 为表面积( ，1 2 ) 焊接时，由于焊件是局部受热，焊件中存在很大的温度差，因此，不管是焊件内部还是焊 件与周围介质之间都会发生热量的交换，而热的传递不外乎传导、对流和辐射三种形式。 西安：1 二业人学硕十学位论文 焊接传热过程中所研究的主要内容是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题，因此， 研究焊接温度场是以研究热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。 用有限元分析热传导的过程是【1 7 - ( 1 ) 把一个热传导微分问题转化为变分问题( 泛函变分或者微分变分) ； ( 2 ) 对物体进行有限元分割，把变分问题近似的表达为线性方程组； ( 3 ) 求解线性方程组，将所得的解作为传导问题的近似解。 2 3 2 热传导的本构方程 1 8 1 9 】 焊接是一个局部加热到高温，然后迅速冷却的过程。随热源的移动，整个焊件的温度随 时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在潜热现象，起温度 场极其不均匀。焊接温度场所满足的微分方程为： 考去眨警专职爹 警一a = 。c t 圳亿5 ， 式中，q ( x ，y ，z ，t ) ：求解区域内部热源； k ：导热系数； p ：材料密度： c ：材料比热。 上式为泛定方程，为了获得定解，需给出定解条件，既微分方程的边界条件和初始条 件。 假定s r 为求解域v 的边界，并有s = u s ：u s ，其中s ，为给定温度边界，是为热流边界， 文为对流辐射边界，则在s 上应满足： 在墨边界上： t = t ( s ，t ) ( 2 6 ) 岛边界上： k 芸= k g r a d t 咒= g ( s ，f ) ( 2 7 ) 屯边界上： k g r a d t n = 易( t 一疋)( 2 8 ) 式中，b ：表面换热系数： 瓦：周围介质温度。 同时还需要给出初始条件，即时间t = 0 时v 内的温度分布，即： t = t ( x ，y ，z ，t ) ( 2 9 ) 1 2 2 焊接残余戍力的分析理论 2 3 3 温度场的有限元计算方法 2 0 2 1 2 2 】 用有限元计算温度场时，在空间域上，一般假设在一个单元内的温度呈线性分布，根 据变分公式推导节点温度的一阶常系数微分方程组。在时间域上，用有限差分法将它化成 节点温度线性方程组的递推公式，然后将每个单元矩阵叠加起来，形成节点温度线性方程 组，进而求得节点的温度。 1 ) 空间域的离散 假定空间域v r 3 被m 个具有唿个节点的单元所离散，v 内共有n 个节点，在每个单 元内各点的温度用单元节点温度来表示，即： t = 【 丁 。( 2 1 0 ) 式中，【n 】为形函数，在每个单元内对瞬态温度场用g a l e r k i n 法，由于【n 】只是空间域的 函数，故有： ， 别7 k 心吖州+ ，p c n 7 n d v 昙t t h h 九p d s = 工。p q n r d v + ；q n r d s + 正 办疋【】丁 n d s ( 2 11 ) 式中，【b 】_ 【l 】【n 】。其中， l 】为微分算子矩阵。在构造函数【t 】= 【n 】 t 。时，上式已满足s 1 上的边界条件，故式中不出现与s 1 有关的项。整理得： ( 【k 】。+ 【日】。) 丁l + ( c 。) ( 丁) = ( 尺q ) 。+ r ) 。+ 咒) 。) ( 2 1 2 ) 或表示为： c 】 t + 【k 】 丁 = q )( 2 13 ) 式( 2 1 2 ) 中各项在单元内的表达式分别为： 热传导矩阵 k 】。= ，【召】丁 忌】 b 】d y ( 2 1 4 ) 热交换边界对热传导矩阵的修正 in 】。= l ，h n r 【】d s ( 2 1 5 ) 热容矩阵 c 】。= 工，p c 】7 n d v ( 2 1 6 ) 热源产生的温度载荷 ) = l ，p q n 7 d v ( 2 1 7 ) 给定热流边界产生的温度载荷 两安j t ：业人学硕十学位论文 【尺9 】= j s ：q n 】7d s ( 2 18 ) 给定对流换热边界产生的温度载荷 尺 l 。= i 。，h t i n 】7d s ( 2 1 9 ) 这样包括空间域和时间域的偏微分方程问题就在空间域被离散为有n 个节点的常微分 初值解问题。 式( 2 13 ) 中各项表达式分别为 【k 】传导矩阵，包括导热系数、热对流、对流系数及辐射率和形状系数； c 】：比热矩阵，考虑系统内能的增加和减少； 丁) ：节点温度列向量； 丁l ：温度对时间的导数； d l ：节点热流率向量，包含热生成。 如果材料热物理性能随温度变化，如k ( t ) ，c ( t ) 等，则为非线性热分析，称为材料非线 性。 非线性热分析的热平衡矩阵方程为 【c ( 丁) 】 丁) + 【k ( 丁) 】 t ) = 【q ( 丁) ( 2 2 0 ) 2