（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）交变载荷下厚板表面焊接残余应力的松弛研究.pdf

武汉理r 大学硕： 二学位论文 摘要 船舶是一个具有复杂外形和空间布置的全焊接结构，在整个生命周期内， 船舶所处的工作环境是相当恶劣的，除了承受静载外，更大程度上还会遭受交 变循环载荷的作用，在这样复杂的受力状态下，结构内部的应力状态也会不断 变化。对于全焊接的船舶而言，结构内焊接残余应力的变化，将直接关系到其 使用性能以及疲劳强度的好坏。因此，为确保其在服役年限内的安全性与可靠 性，必须重视和了解复杂工况下，结构内焊接残余应力的演变过程。基于此背 景，本文首先，以文献资料为主要呈现内容，科学的理解和归纳交变载荷作用 下焊接残余应力松弛行为研究的意义及特点，提出了本课题的主要研究思路和 研究方法。 其次，详细介绍了焊接残余应力测定的方法及手段，同时，回顾了已有的 关于交变载荷作用下焊接残余应力松弛的相关理论，对相关概念进行了界定。 再次，以一个1 0 咖咖厚的对接焊试件为试验对象，利用m t s 疲劳试验机， 对其施加循环压缩载荷，在试验过程中，对每一个标定的循环周期下，借助于 x 射线应力测试仪，对试件表面测点处的实时残余应力进行系统测定与记录。 在所有循环周期结束后，依靠通用拟合软件l s t o p t ，运用麦夸特法 ( l e v e n b e r g m a r q u a r d t ) 对试验记录数据进行后期处理，提出了大厚度焊接试 件表面焊接残余应力场的松弛演变模型。研究表明，在循环载荷的作用下，焊 接残余应力场的松弛行为，不仅与初始焊接残余应力值的大小有关，还与外加 循环载荷的作用方向紧密相连。 然后，本文首次将试验所提出的残余应力松弛演变模型拓展到材料的基本 属性中，结合疲劳专业分析软件a n s y sf e s a f e ，对3 种典型的循环载荷工况 ( 脉动压缩，脉动拉伸，交变循坏) 下，焊接试件的疲劳性能做了数值模拟， 全面分析与归纳了焊接残余应力的松弛行为对结构疲劳性能所产生的实质性影 响。此外，针对实际的工作载况，本文就如何正确的利用焊接残余应力的松弛 效应提出了适用性的基本准则，倡导合理化应用焊接残余应力才+ 是最终目的。 研究表明，焊接残余应力的松弛行为对试件的疲劳强度的影响，会根据外加循 环载荷类型的不同而发生变化。在对称交变载荷与脉动循环拉伸载荷作用下， 其影响表现为提高试件的疲劳强度。但在脉动压缩循环载荷作用下，则表现为 降低试件的疲劳强度。 武汉理j ：人学硕士学位论文 最后，从焊接试件的多元化趋势出发，对结构内焊接残余应力松弛的实验 性研究做了展望。 希望能够通过本课题的研究，利用本文所提出的残余应力松弛时变模型， 结合疲劳数值分析的结论，对结构的实际使用性能做出有效的预测，为工程实 践应用提供理论依据与指导。 关键词：厚板对接焊，交变载荷，残余应力松弛，疲劳数值模拟 i i 武汉理1 ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t s h i pi sas t e e l - w e l d e ds t r u c t u r ea 1 1 dh a sm ec o m p l e xs h a p e s m r i n gt h ee n t i r e l i f ec y c l e ， t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fs h i pi ss 舐o u s ，a 1 1 dt h el o a di sv e 巧c o m p l e x g e n e r a l l y ，i tn e e d sn o to n l yt ob eu n d e rv a d o u ss t a t i e1 0 a d s ，b u ta 】s ot ob ei nt h e f a c eo fe x t e m a lc y c l i cl o a d s u n ( 1 e rt h ec 1 1 i o n i ca n da t r o c i o u ss t r e s s s t a t e ，t h e i n t e n l a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no ft h ew e l d e ds p e c i m e nw i l lb ec h a n g e d c o n t i n u o u s l y f o rt h ea 1 1 一w e l d e dv e s s e l s ，t h es a f e t ya n df a t i g l l es t r e n g t ho fs h i p s t m c t u r e sw i l lb ed i r e c t l yr e l a t e dt ot h ev 撕a t i o no ft h es t m c t u r a lr e s i d u a ls t r e s s s oi ti sv e 巧i m p o r t a n tt om a k eac a r e 如ls t u d i e sa n de v a l u a t i o n so nm e s h i p s t r u c t i l r e ss t r e n 舒h ，w h i c hi sa l s ot h ek e yt oe n s u r em es h i p sn o m a lu s e d u n gt h e w h o l ew o r k i n gc y c l e b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，m i sp 印e ra t t e m p t st oe x p l o r et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e c ns 觚c t l l r e ss 仃e n 蛋ha i l dt h er e l a x a t i o na i l dr e d i s t m u t i o no ft h e w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s f i r s t ，1 i t e r a l 吣r em a t 甜a l sa r ep r e s e n t e d c h a r a c t 嘶s t i ca 1 1 ds i 龋i 矗c a n c eo ft h e s t l l l c t u r a lw e l d e dr e s i d u a ls t r e s sr e l a ) 【a t i o n ，u n d e rc y c l i cl o a d s ，w e r ei n t r o d u c e di n t h i s p a p e r ，m e a n w h i l e ，a 1 1 a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h ec u 丌c m ts t a t u s t h e i lt h e s t m c t u r eo p t i m i z a t i o nd e v e l o p m e i l ta n di t sa p p l i c a t i o ni np r o j e c ta r ei n 仃o d u c e d t h i sb a s i s ，t h em a i nc o n t e i l ta i l dt h es e a r c l l i n gm e t h o do ft h i ss t u d ya r es h o w n s e c o n d ，t h ep a p e ri n 仃o d u c e st h em e a s 嘶n gm e t h o do fx - r a ys 仃e s st e s t i n g a p p a r a t u si nd e t a i l sa n dt h er e l a t e dd e 矗n i t i o na 1 1 dt h e o f i e sa b o u tt h er e l a x a t i o no ft h e r e s i d u a ls t r e s sw e r er e v i e w e d t h i r d ，t h ee x p 甜m e n ti sc 硎e do u to nat h i c kw e l d e dp l a t eo f10 0 m m w 油 t h ef a t i g u et e s tm a c l l i n e ，c y c l i cc o m p r e s s i v el o a d sw e r ei m p o s e do nt h ew e l d e d s p e c i m e l l i nt h et e s t i n gp r o 黟e s s ，a te v e 巧c a l i b r a t e dc y c l i cn u m b e r ，u s i n gx - r a y s t r e s st e s t i n g 印p a r a t l l s ，t h er e a lt i m ev a l u e so ft h er e s i d u a ls t r e s sf o re a c hm e a s 嘶n g p o i n t w e r em e a s u r e da 1 1 dr e c o r d e d a r e ra nc y c l e s e n d e d ，b a s e do nt h e l e v e l l b e r 争m a r q u a r d tt h e o 巧，t h ee x p 硎m e n t a ld a t aw e r es y n t h e s i z e da n da n a l y z e d b yt l l e 1s t o p ts o f h v a r e t h e l l ，t h er e l a ) 【a t i o nm o d e la b o u tt h et i m e v a r 如n g r e d i s t 曲u t i o no nt h es u r f a c eo ft h ew e l d e ds p e c i m e i lw a sp r e s e l l t e d r e s e a r c hr e s u l t s l h s h o wt h a tt h er e l a x a t i o no ft h ew e l d e dr e s i d u a l s t r e s si sr e l a t e dt ot h ev a l u eo ft h e 1 n l t l a ls t r e s sa n dt h ea c t i o nd i r e c t i o n so ft h ee x t e m a lc v c l i c1 0 a d s f o u n h ，t h et i m e v a 巧i n gr e d i s t 抽u t i 伽m o d e lo ft 1 1 ew e l d i n gr e s i d u a ls 仃e s si s e x t e n d e dt 0t h em a t 嘶a 1b a s i cp r o p e n y 硒rt h ef i r s tt i m e w i t h t h ef e s a f e s o r w a r e ， t h ef a t i g u e a n a l y s i sa l s oi sc a r r i e do u t u n d e rt l l r e e t y p i c a lc y c l i c l o a d s ( c y c l i cc o m p r e s s i v el o a d ，c y c l i ct e n s i l el o a da n da l t 锄a t i n gl o a d ) ，t h ed i a 醯e n t m f l u e n c i n gm e c h 砌s mo ft h er e s i d u a is t r e s s e sr e l a x a t i o n ，f o rw e l d e ds t m c t i l r e s w e r ed i s c u s s e dw i t h i nt h e 厅a m e w o d ( o ff a t i g u e 伽u r em e c h a n i s m ，f a t i g u es t r a n 础 e v a l u a t i o na n df a t i g u e1 i f ep r e d i c t i o n m o r e o v e r ，f o rm ed i 侬：r e n tt 、憎e so f t h ec y c l i c i o a d s ，t h e 印p l i c a t i v e 嘶t 嘶o na b o u th o wt oa p p l yt h es t r e s sr e l a ) 【a t i o ne f f e c tw a s b r i e n yd i s c u s s e d t h ef i n a la i mi st oa d v o c a t em er e a s o n a b l eu s eo fs t r e s sr e l a ) 【a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h es t r e s s r e l a x a t i o ni sr e l a t e dt om ed e t a i l e d 内r m so ft h ei m p o s e dl o a d s f o rt h ec y c l i cc o m p r e s s i v e 1 0 a d s ，t h er e l a ) ( a t i o n b e h a v l o rh a sa n e g a t i v ei n n u e n c eo nt h es t m c t l l m l 觚g u es t r e n g t h h o w e v e r ，f o rm e t 朗s i i el o a d sa 1 1 dt h ea l t e m a t i n g1 0 a d s ，t h er e l a x a t i o nb e h a v i o r h a sp o s i t i v ee 虢c t s f i n a l l y ，f b mt h ed i v e r s i f i c a t i o no ft h ew e l d e ds p e c i m e n ，t h ep a p e rm a d ea i l p r o s p e c ta b o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h er e l a x a t i o no fm er e s i d u a ls t r e s s t h r o u 曲t l l e 咖d ya b o u tt h er e l a x a t i o ne 仟e c t so fw e l d e dr e s i d u a ls 仃e s s t l l i s d l s s e n a t i o na i m st op r o v i d e t h e o 巧a 1 1 dm e t h o d 鲥d ef o rt h ee 1 1 垂n e 鲥n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：r e s i d u a ls t r e s s e sr e l a x a t i o n ，t i m e - v a r y i n g 同i s t r i b u t i o n ，a l t 锄a t e 1 0 a d i n g ，n 啪嘶c a ls i m u l a t i o no f w e l d i n gs t m 咖r ef a t i g u e l v 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 武汉理工大学或其他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。 签名：翌鱼些日期：兰竺：圭：竺 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：罗百璐导师 瀣名易印期抛。小如 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的工程背景 第l 章绪论 焊接是一种将材料永久连接，形成具有给定功能的结构的制造技术。焊接 作为一种制造技术或生产手段，除了获得优异的连接质量外，还可取得优秀的 使用性能。正因为如此，焊接已经渗透到制造业的各个领域，几乎所有的产品， 从几十万载重吨的巨轮到不足l 克的微电子元件，在生产中都不同程度地依赖 焊接技术。同时由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、 效率高等优点，焊接结构的应用也日益增多。2 0 0 4 年，我国用于焊接加工的钢 材总量已经突破1 亿吨，成为国际性的焊接大国。随着时代的前行，在国民经济 建设和社会发展中，焊接发挥着越来越重要的作用，而焊接性能的好坏直接影 响到产品的质量、可靠性和寿命，以及生产的成本、效率和市场反应速度。因 此，在发展我国制造业，尤其是装备制造业和造船业的过程中，必须高度重视 焊接技术的同步提高1 。 作为钢结构的三大连接手段( 焊接、栓接、铆接) 中最主要的连接手段， 焊接技术因其不削弱构件截面的特点，成为了钢构件、金属加工中理想的连接 方式2 1 。经过几十年的快速发展，焊接已在许多工业部门的金属结构( 如建筑 钢结构、船体、铁道车辆、压力容器等) 制造中，成为主导。此外，在机械制 造业中，焊接结构逐步取代了以往传统的整铸、整锻方法，来加工生产大型毛 坯。如今，世界主要工业大国生产的焊接结构已占到钢产量的5 0 6 0 。但是 由于焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，其焊接过程 相当的复杂并且受到众多因素的影响，因而，使得正确描述在各种情况下所产 生的焊接变形和焊接残余应力，以及准确把握产品质量变得非常困难。另外， 实际的结构多数情况下工作受力状况复杂多变，一方面，结构可能需要承受高 负荷的静载；另一方面，结构又有可能遭遇随机动载，所以，在各种载荷作用 下，为了保证各部件在正常运转时，不会发生不可接受的变形，焊接结构必须 具有足够的强度和刚度。然而，实际的结构通常由于加工装配或其它加工因素 的影响，需要布置较多数量的焊缝，造成焊缝分布较为集中，这不可避免的导 致了严重的焊接残余应力的存在，与此同时，对于长期处于动载作用下的结构， 焊接性能还关乎到结构的疲劳强度等等。 武汉理工人学硕十学位论文 在船舶与海洋工程结构建造中，焊接的重要性尤为突出。从2 0 世纪3 0 年 代起，当焊接技术的应用开始延伸到船舶领域，造船业的革新时代也随之到来， 这一变革所产生的深远影响，可与1 9 世纪中叶造船用的材料由最初的木材转变 成钢铁相提并论，因此，造船工艺由铆接变为焊接被认为是造船史上的第二次 革命。 在现代的造船业中，焊接已经成为连接船体结构和会属构件的主要方法， 是海洋工程结构和船舶建造的关键工艺之一，它不仅对船舶的建造质量有很大 的影响，而且对于提高生产率、降低成本和缩短造船周期起着非常重要的作用。 在船舶建造中，船体结构是依靠焊接的方法将板材和型材连接在一起的， 在连接处，不仅宏观上形成永久性的接头，而且在微观上也建立了联系，在两 结合面问形成了共同的晶粒和连续的组织，实现了构件间高效的连接。 和铆接船相比，焊接船有着系列的优越性，但是焊接船体结构又有一些 需要注意的特点。j 下确认识这些特点并采取合理的措施是保证船体结构质量和 安全的关键之一。 ( 一) 焊接船体的优越性 1 重量轻，省材料，成本低 与同样排水量的铆接船相比，焊接船不仅可以提高载重量，同时，节约的 人力、物力和时间，使得生产成本大大的降低。 2 结构合理，强度高 焊接船体可根据设计的需要制成不同的线型并且外形连续光顺。焊接接头 致密，连续，其强度一般与母材相等甚者有可能高于母材。 3 密封性好 焊接接头中由于焊缝与母材形成了一个整体，可保证焊接接头具有可靠的 密封性。 4 生产效率高 焊接船体可以采用分段建造，预舾装，以及区域建造等先进工艺。船体焊 接装配的工作量的6 0 7 0 都可以在车间完成。分段建造、船台合拢等工艺流 程可大大缩短船舶建造的周期。同时，各种高效的焊接技术如气体保护焊，埋 弧焊，电渣焊，下行焊，重力焊，铁粉焊条高效焊等的应用使得生产效率也会 大幅度的提高。 ( 二) 焊接结构特点 1 焊接应力和焊接变形 2 武汉理t 大学硕十学位论文 焊接是一个局部加热过程，加热范围小，温度梯度大，致使结构产生复杂 的热应力和变形，冷却后易出现残余应力与变形。对于焊接结构而言，必须充 分考虑焊接残余应力与变形对结构强度和性能的影响。 2 焊接结构整体性强，刚性大 焊接船体结构由于整体性强，使其具有良好的不渗透性，但整体性强却使 得船体结构刚性大，对应力集中特别敏感，在尖角处等易产生裂纹。同时整体 性强，刚性大使焊接船止裂性差，一旦开裂很容易扩展到整船。 3 焊接性能的不均匀性 大多数情况下，焊缝的化学成分与母材存在差异，焊接热过程会造成热影响 ( h a z ) 的晶粒长大，形成脆化区，对有些材料还会造成h a z 的软化；焊接 过程会使焊缝或熔合区甚至热影响区产生宏观或显微缺陷；焊根，焊趾等截面 突变出会产生应力集中等等。 焊接应力与变形一方面直接影响到船舶结构的连接质量和使用安全。另一 方面，焊接残余应力和残余变形在某种程度上还会影响船体焊接结构的承载能 力和服役寿命。所以，非常有必要了解复杂的工作载荷下，焊接残余应力和变 形的演变规律。对于这一问题的研究不仅具有理论意义，而且还具有重要的实 际工程价值。 1 2 厚板焊接残余应力研究现状 1 2 1 厚板焊接残余应力的理论研究 目前大多数依靠焊接手段而形成的钢结构，由于焊接残余应力的存在，其使 用性能将受到直接的影响。国内外焊接工作者们对于焊接残余应力的研究从未 放慢过脚步。1 9 9 3 年，美国能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典和英国等2 5 位著名专家对2 1 世纪焊接科学技术的发展动向作出预测，其中焊接基本现象与 基础理论的研究被列为最重要的研究方向之一。但以前人们的工作大都局限于 研究薄板内的焊接残余应力，认为在薄板内，焊接残余应力基本上是双轴的，即只 有纵向和横向的残余应力，而厚度方向的残余应力是一个很小的常量，可以不考 虑。但随着厚板构件在高层及大跨结构中的广泛应用，厚板内焊接残余应力的影 响也加大了，沿厚度方向的焊接残余应力的影响不能再被忽视。特别是当焊接构 件的板厚增加到一定的厚度时，焊接残余应力已不再是一个常量，并且还有可能 达到较高的数值，所以，再作双轴的假设显然是不合适的，因此，从此方面来说， 武汉理t 大学硕十学位论文 研究厚板的焊接残余应力的大小和分布规律具有重要的现实意义。但利用试验 的方法来测定厚度方向的残余应力的难度和花费都较大，并且还只能得到部分点 的残余应力值，不能得到残余应力分布区域和变化的具体云图，这一直是厚板焊 接残余应力研究的一道障碍。直到有限元数值模拟的出现，才较好的解决了这 个问题，从而也对实际工程中的应用产生了重大影响3 1 。我国国家自然科学基 金委员会制定的学科发展战略也将焊接学的理论研究与模拟确定为机械热加工 领域的发展方向之一。 目前，国际上已有的供焊接技术交流的平台就不乏其数。近2 0 年来，特别 是2 0 世纪9 0 年代以来，就焊接学的研究在国内外都得到了很快的发展。在国 外，相关的国际会议有， “m o d e l i n go fc a l s t i n g ，w e l d i n ga n da d v a i l c e d s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e s 以及“n u m 甜c a la n a l y s i so fw e l d a b i l i t v ”等，并且已 经成功举办多届。后者由国际焊接学会( i i w ) 第b 分委会，焊接性能数值 分析工作组与奥地利的g r a z 工业大学共同组织，每两年举行一次，并出版专集。 1 9 9 6 年1 1 月，日本大阪大学接洽研究所( j w 对) 组织了一个“1 1 1 e o 硎c a l p r e d i “o ni nj o i n t i n ga n dw e l d i n g 国际专题讨论会，对当前焊接学的各个领域进 行了交流探讨。还有，于同年由国际焊接学会成立的“焊接结构残余应力和变 形预测研究”专题工作小组。 在国内，我国焊接学会数值分析与c a d c a m 专业委员会( 现改名为计算 机应用技术专业委员会) 也曾组织了多次“计算机在焊接中的应用”技术交流 会，促进了我国焊接领域中的计算机的应用。 对于残余应力的产生及演变机理，各国学者也正开展着如火如茶的研究与 探索，由于焊接产生的动态应力应变以及随后出现的残余应力和残余变形，是 导致焊接裂纹和接头强度与性能下降的重要因素，因而成为历年来，各国学者 与专家们研究的热点。早期，如前苏联的h o 奥凯尔布朗姆用图解的形式分析 了一定条件下，焊接过程中的应力应变过程，对于了解焊接应力与变形产生的 原理和本质做出了重要的贡献。可以说，至今它仍然是焊接应力与变形在教 育领域的理论基础。基于该理论提出的以残余塑性变形来计算和研究焊接变形 的方法在c a 库兹米诺夫的著作里得到了进一步的发展，并且形成了一个较为 完整的系统5 1 。然而，由于该方法建立在平截面假定以及其它一系列简化假定 的基础之上，对于要解决稍微复杂一些的构件中的焊接应力与变形，以及动态 过程的定量分析就显得有点举步维艰，相当的团难。但随着技术的进步，分析 处理手段的不断更新，在上世纪7 0 年代初，日本的上田幸熊等人率先以有限元 4 武汉理r 人学硕十学位论文 理论为基础，提出了考虑材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论， 推导出了分析所需的各个表达式，从而使得复杂的动态焊接应力应变过程的分 析成为可能6 1 。此后，他们在该领域的发展也日趋多元化，并取得了丰硕的成 果，例如：在进行焊接时的热弹塑性有限元分析时，引入了蠕变分析与相变时 的力学行为和处理方法。另外，鉴于，厚板除了存在纵向和横向的残余应力外， 还存在较大的厚度方向的残余应力。并且由于大型构件的截面在厚度方向上的 尺度较大，三向的残余应力在厚度上的分布极其的不均匀，因而给测定分析带 来了一定的难度，但上田、福田等人基于固有应变理论，利用少数测点来估计 焊缝及其近区的固有应变( 残余塑性应变) ，然后采用有限元的方法求的其它 未测点的残余应力的分布7 1 。巧妙地运用实测和数值模拟相结合的方法，对大 厚度焊接接头的残余应力进行了测定。该方法在原理上甚至可以用无损检测表 面应力来推测三维残余应力。 还有a d 锄e s 、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验 为基础，积累了不同材质、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测 量数据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最后建立 了不同情况下的焊接传热公式。这种方法比前者采用数学解析法要准确，但实 验的工作量很大，需要有确定的应用条件和范围，同时，其结果的可靠性取决 于测试手段的精度，在一定程度上，其应用受到限制。 1 2 2 厚板焊接残余应力监测的研究 焊接残余应力的分布状态，依据焊接结构的厚度尺寸的不同，而存在显著 的差异。多年来的研究主要集中在薄板焊接残余应力的测量和分布上。对于厚 板的研究，受到理论和测量方法的限制，发展并不快。但随着时代的发展，大 厚度的试件在工业生产与加工制造领域的应用越来越广泛，与之相随，人们对 厚板焊接残余应力分布的兴趣也随着工程实际的需要而日渐增大。在确定焊接 残余应力时，需要有完善的测量手段与成熟的技术路线，现今，测定焊接残余 应力的方法主要可归纳为：应力松弛法、x 射线衍射法、基于应力敏感特性的方 法以及裂纹方法。 厚板中的焊接残余应力表现为错综复杂的三轴应力状态，目前，对于三维残 余应力的测量，主要的方法有：套取：签棒法；内孔直接贴片法h 1 ；使用环形槽释 放应变，测量构件内部三轴残余应力8 1 ；固有应变法鸭1 ；r n 法。 武汉理i ：人学硕十学位论文 ( 1 ) 套取芯棒法：在被测量处，钻一个通孔或盲孔，向其浇注有机树脂， 再将按不同的孔深贴有应变片的特制骨架放入孔中。待树脂固化后，将小孔连同 其周围的金属套取出来，即可测量此处的应变并计算应力。 ( 2 ) 内孔直接贴片法：由黄守勤等人率先提出。在被测量部位，钻一个内 孔，按不同的深度将应变片直接贴在孔的内壁上，然后套取芯棒，测量释放的应变。 ( 3 ) 环形槽释放应变法：钻一个窄而深的盲孔到达要测量残余应力的部位， 在孔内放置小型纵向应变测量装置，然后切除包括孔和测量元件在内的相关体 积，以释放应力和应变，测量构件内部三轴残余应力。 ( 4 ) 固有应变法：1 9 7 9 年，日本上f f l 幸雄提出了，利用少数测点来估计焊 缝及其附近区域的固有应变( 残余塑性变形) ，然后利用有限元法求出其它未测 点的残余应力分布盯1 。 ( 5 ) r n 法：1 9 4 5 年，美国d r o s e n t h a l 和j t n o n o n 首次提出9 1 。 1 9 7 9 年，日本神户制钢中心研究所高桥英司等人提出关于r n 全释放解剖 法的新解释们。该方法测定三向焊接残余应力时，制备了两块同样的试板，一 块是沿焊缝轴向切取纵向薄片，测试轴向应变，并计算出轴向应力。另一块为 沿垂直焊缝方向切取横向薄片，测试横向应变，并计算横向应力。在文献l o 中， 对厚度分别为5 0 m m 、1 0 0 m m 、1 5 0 m m 的平板对接焊试件，应用粘贴应变片的 方法，进行了薄片沿厚度方向残余应力的测定。 1 9 9 8 年，中国科学金属研究所，陈怀宁等人对复合焊接试板进行了逆焊接加 热处理形成压缩残余应力的试验，提出了针对r n 全释放解剖法的修j 下检测程序， 用该方法测定了板厚方向的三维应力的分布，试验中试验试件的板厚为3 5 m m 。 一致认为，应力梯度对测量有很大影响1 。 由于厚板中的焊接残余应力状态不在满足简单的平面应力模型，并且在厚度 方向上，厚板焊接结构中三个方向的残余应力的分布也极其的不均匀，因而，目 前对于厚板焊接残余应力的测试主要用到的是应力松弛法中的条形切割解体法。 它的主要原理是通过对试件进行切割，以释放沿次要方向的残余应力，只测量对 构件承载力有较大影响的残余应力，这时，厚板焊接残余应力从三轴的复杂应力 状态转变为了简单的应力状态。切割法，最初是由j o l l l l s t o n 和l u x i o n 在f r i t z 实验室 所采用的玎。现在，人们普遍地将这一方法的测试结果用作评价其他各种方法 的测试结果的标准。 6 武汉理工人学硕十学位论文 1 2 3 厚板焊接残余应力的松弛演变研究 国内外学者对于焊接结构的残余应力的释放行为以及它对疲劳强度的影响 进行了积极的研究工作，也获得了不少有价值的理论和试验研究成果，例如， 国外学者l e et a kk ，n 锄y o n gy ，h a ns e u n gh 等曾经用实验方法研究了简单焊 接结构在等幅循环载衙下残余应力的释放行为，通过试验数据归纳了残余应力 释放量的计算公式，1 们。h a i l ，j 的n gw 、h a n ，s e u n gh 、s h i n ，b y u n gc k i m ， j a eh 等人在考虑了残余应力松弛行为影响的情况下，利用改进的缺口拉伸试 验，对试验构件的疲劳寿命进行了一整套的研究，并针对不同试件的几何外形 因素，最终提出了5 组具有典型结构形式的焊接结构的残余应力松弛模型。 k i mw s 等用实验方法估算了有预载荷情况下，基于残余应力释放的船舶 焊接接头的疲劳强度 们。以及j b p ( 散装货轮的共同结构规则) 在估算疲劳 寿命时也考虑了残余应力的释放的影响。但是，由于用试验方法来分析残余应 力的释放所花费的代价太高，所以随着数值模拟计算的不断成熟与完善，有研 究人员提出用于残余应力释放行为分析的有限元方法，在文献中，d a t t o m a v 、 d eg i o r g i ，m 、n o b i l e ，rm 1 m 。等人取一3 m m 厚的薄板为试验试件，施加了多 组具有不同特征循环系数r 的正弦载荷，运用a b a q u s 软件，就其应力释放过程 进行了深入的研究，结果表明，疲劳载荷的第一个应力循环对于残余应力释放 量的影响最为巨大，残余应力的释放速率在随后的应力循环过程中逐渐减少， 并趋于稳定。在数值模拟的基础上，d a t t o m a ，v 、d eg i o r g i ，m 、n o b i l e ，r 等人 还进行了相应试验的比较研究，实验结果与数值模拟的结果十分吻合。除此之 外，y u a nmg 等人运用固有应变法分析了焊接接头的残余应力的释放问题明。 z h a n gb i n ，m o a nt o r g e i r 采用3 d 有限元热传导弹塑性分析方法研究了焊接试件 残余应力的释放行为2 们。国内学者，如王甲畏，王德禹等研究了基于热点应力 的f p s o 焊接结构的疲劳问题2 。还有李良碧，王自力就f p s o 典型焊接接头残 余应力释放及其对疲劳强度的影响进行讨论2 玎，并且借助于三维弹塑性有限元 法，研究了f p s o 典型焊接接头在任意变幅循环载荷作用下的残余应力释放规律， 建立了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放大小与残余应力和外载荷大小 之间的计算公式，从而定量地分析了残余应力的释放，提高了疲劳强度估算的 准确性和可靠性。虽然国内外众多的学者专家就残余应力的释放问题进行了一 些探索，但鲜有文献对厚板焊接结构的残余应力在交变载荷下的释放行为进行 报道，特别是对厚板焊接残余应力松弛演变的定量化分析研究。 7 武汉理，j ：人学硕士学位论文 1 3 本文主要的研究工作 本文旨在研究厚板对接焊残余应力场的松弛时变行为，即交变载荷下，厚 板对接焊表面焊接残余应力重新分布的规律。根据映射应变分量的方法研究了 循环过程中焊接残余应力的释放量与交变应力载荷的循环周期数之问的关系。 结合l e v e n b e r g m a r q u a r d t 优化拟合法，给出了厚板表面焊接残余应力释放的时 变分布规律，提出了厚板表面焊接残余应力的松弛演变数值拟合公式。 本文对一个1 0 0 m m 厚的多道焊厚板对接试件进行交变载荷试验，采用x 射线衍射仪，对不同标定循环次数下的试件表面的焊接残余应力进行测定。并 对测定的试验结果进行后期的数据处理分析，最终得出，在交变载荷作用下， 厚板对接焊表面残余应力的松弛与重构行为的时变关系并提出对应的松弛演变 数值拟合公式。 在此基础上，本文将试验所提出的松弛演变模型拓展到试件的材料属性中， 运用大型通用疲劳分析软件a n s y sf e s a f e ，就3 种典型的疲劳循环载荷( 脉 动压缩、脉动拉伸、对称交变循环) 作用下，试件的疲劳性能进行了数值模拟， 经过对比分析，提出基于残余应力松弛行为下疲劳强度的变化规律，同时，针 对分析结果，对工程实际应用提出了一些指导建议。 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章焊接残余应力的松弛机理及应力测量 2 1 引言 交变载荷下应力松弛的实质是应力释放的过程。厚板对接焊的焊接残余应 力的松弛行为常发生于塑性层，塑性变形可以看作是在应力作用下，材料位错运 动的结果眨”。当循环交变应力引起剪应力作用时，原子序列发生微观位移而使 位错产生滑移，达到一定程度，使宏观应力释放，于是产生应力松弛现象。 当焊接结构由外载荷所产生的应力和残余应力相互叠加时，常常会使应力 超过材料的屈服强度，一部分与残余应力相关的弹性应变随即转化为塑性变形， 因此，残余应力就产生了释放现象，即残余应力在循环载荷的作用下逐渐消失。 众所周知，船舶等结构在服役期间，由于波浪载荷所产生的应力与初始残余应 力叠加，会使结构提前到达材料的屈服应力，结构中较高的初始残余应力己被 释放，在很大程度上影响结构的使用性能，特别是船体结构中的腹板框架结构， 对残余应力释放特别敏感2 们。 对焊接残余应力松弛的分析与研究，一直受到人们的重视。一般认为，引起 焊接残余应力松弛的主要外部原因是循环交变应力和温度眩”，对循环交变应力 引起焊接应力松弛的程度，其意见还不完全一致。因而，本文针对就循环交变应 力作用下，对厚板焊接残余应力的松弛情况进行试验研究，为厚板焊接结构的安 全评定提供必要的参考数据。 2 2 交变载荷下厚板焊接残余应力松弛演变机理 当焊接构件上作用有交变载荷时，焊接结构的应力应变行为较为复杂。在 交变应力和焊接残余应力叠加时，构件上某些区域会达到屈服极限，并产生塑 性变形。即使在某些区域，宏观上没有达到屈服极限，但交变载荷也可以引起 微观上的位错移动，滑移的产生使晶体发生微观塑性变形。这样，受到约束的 变形将得以释放，从而降低残余应力。一般而言，因为材料具有内耗的特性， 所以材料在交变应力作用下的屈服极限比在静应力作用下的屈服极限低，如图 2 1 所示2 5 1 。这一特性使得在快速的循环应力作用下，真实的弹性极限将滞后 9 武汉理工火学硕士学位论文 于理论上的值，在胡克定律的范围内，就会引起微小的塑性变形，也就是说， 材料在通常的弹性范围内，由于交变应力的作用将产生塑性变形。 应变 图2 1循环应力作用下焊接构件的屈服极限 l u b a n f e i g e r 对金属试件在交变载荷下的应变特性进行了大量的研究，得出 如图2 2 所示的交变应力应变特性曲线也们。假设，a 点为初始的残余应力值， 当外加交变应力值比a 点稍高时，将偏离弹性直线，出现塑性变形直到b 点； 在卸载时，若是静载作用，卸载线应该是平行于加载线b g 的，但由于包辛格 效应，实际的卸载线在其端部发生了偏移而变为b c 。于是，在施加第一次交 变载荷循环时，应力应变曲线沿箭头所示的回线a b c 变化。若再次重新施加 载倚至d 点时，当应力在疲劳极限以下充分反复后，应力应变曲线将处于稳 定的滞后曲线d e f 。在交变载荷施加过程中，残余应力由a 点一b 点一e 点， 最终，降到e 点。可见，在施加交变载荷后，构件中原本存在的较高的残余应 力将得到有效地减小并重新分布。 ，避 力 g 弹性鄙载线 应委 图2 2 循环应力作用下的应力一一应变曲线 1 0 武汉理。i ：人学硕士学位论文 有研究认为，疲劳载荷的第一个应力循环对残余应力释放量的影响最大，残 余应力的释放量在随后的应力循环过程中逐渐减少2 钔。并提出了，基于应变行 为的残余应力释放模型。并且该模型认为：由于初始残余应力的存在，所以， 即使是施加恒定的应力幅值，在试件截面上所施加的应力也是不均匀分布的。 在该模型中，假定基本金属和焊缝金属中应力与应变之间的关系处于弹 塑性状态。屈服应力、初始残余应力以及初始残余应变分别用唧、研和r 表示。 点a 表示焊接接头中某一点的局部应变。当施加外部载荷时，点a 的局部应变将 沿着应力一应变曲线增大。去除外部载荷后的最终应变7 取决于所施加的应变 和初始应变r 之和是否大于屈服应变y 。图2 3 所示是在第一个应力循环作用下焊 接残余应力释放行为的发生机制。 ：r ： 驯 jr 毽 彳纩7 ， c 蟾 灾 ? 落 一- 艟臻l ； 1r ；l f r 1 詹壤馘 7 r l r 毒t 焉t 皮i 畛露 寥+ 叠廖一 图2 3 第一个应力循环作用下焊接残余应力的释放 在加载的过程中，若a 点达到屈服状态，则在a 点会出现塑性变形，加载过 程会按照图2 3 ( + 2 v ) 中的曲线a b 进行，在拉伸阶段，图2 3 中，点a 经过屈服 后，其局部应变将到达b 点，但b 点的拉伸弹性应变量取决于材料得强度以及所 施加得拉伸应力的大小。当施加的应力在b 点开始逐步减小时，应变也会沿着 眦线减小。由于最终残余应变7 是塑性的，因此，此时的残余应力无法直接 确定下来。考虑到出现最大应变的b 点处局部应力会达到屈服应力，并且，在卸 载过程中，应力与应变之间的关系处于弹性状态，所以，最终的应力0 7 ，可表示为： o r2 o 一a2o y e ( l 瓣一嘲n ) ( 3 1 ) 在理论研究的基础之上，人们也相继采用了各式各样的试验方案以及设备 仪器来对焊接试件的残余应力的松弛问题进行了实践性地探索。其中，有研究 武汉理丁大学硕十学位论文 人员对具有热应力型残余应力分布的试样进行了交变循环载荷