（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 由焊接产生的残余应力，是导致焊接裂纹和接头性能降低的重要因素，对结构的静 强度、疲劳强度、稳定性、刚度以及应力腐蚀开裂等均存在着不可忽视乃至于致命的影 响，所以在考虑结构的强度、使用寿命等问题时，必须将焊接残余应力的影响考虑在内。 船舶与海洋结构物在海洋环境风、浪、流的作用下产生结构交变响应，是导致结构疲劳 损伤的主要因素，与此同时，在交变载荷的作用下，结构内部残余应力的大小和分布也 会发生不可忽略的变化。本文旨在研究交变载荷对残余应力场的影响，并通过数值模拟 预测多道焊焊接温度场和应力场的分布情况。 本文基于小孔释放法测量残余应力的方法，通过试验研究交变载荷对焊接残余应力 场产生的影响。试验中准备了两块相同尺寸的试件，每块试件均采用相同的焊接方法与 参数，以便得到相同的焊接残余应力场。由于试件的对称性可认为焊接残余应力场关于 焊缝中心线对称分布。首先，利用小孔法确定原有残余应力场；然后对试件施加不同参 数的交变载荷，测试改变之后的残余应力场。结果表明交变载荷在一定程度上能使焊接 残余应力重新分布，焊接残余应力的改变与初始应力分布形式、材料的应力应变曲线、 交变载荷幅值和交变周次有关系。 本文在总结前人工作的基础上，系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合 数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了 基于a n s y s 软件的多道焊温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板两道焊接问题 进行了实例计算，计算结果与传统结果相吻合。利用本文模拟分析方法，可以对多道焊 焊接过程的热应力及残余应力进行预测，并为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供 了理论依据和指导。 关键词：残余应力；交变载荷；数值模拟；多道焊 交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究 r e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s su n d e r t h ee f f e c to fa l t e r n a t el o a d i n g s a b s t r a c t n er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni st h em a i nr e a s o nt ot h ea p p e a r a n c eo fw e l d i n gc r a c k s a n dt h er e d u c t i o no fw e l d i n gj o i n t s s t r e n g t h i th a sag r e a te f f e c t o nt h es t r u c t u r a l p e r f o r m a n c es u c h 器s t a t i cs t r e n g t h , f a t i g u es t r e n g t h , s t a b i l i t y ，s t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n ge t c t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yt ot a k er e s i d u a ls t r e s si nc o n s i d e r a t i o nw h e na n a l y s i so fs t r u c t u r a l s t r e n g t ha n de v a l u a t i o no fs t r u c t u r a ll i f ea r ec a r r i e do u t t h ea l t e r n a t er e s p o n s eo fo 题m o r e s t r u c t u r ei st h em a i nr e a s o nt of a t i g u ed a m a g eu n d e rt h ee f f e c to fw i n d ，w a v ea n df l o wi nt h e o c e a ne n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ，t h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nw i l lc h a n g ea s t h e a l t e r n a t el o a d i n gc h a n g e s t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ee f f e c to fa l t e r n a t el o a d i n g st ot h ew e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s ，a n dp r e d i c t st h et e m p e r a t u r ef i e l da n dr e s i d u a ls t r e s sf i e l di nm u l t i p a s s w e l d i n gb yu s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do i lt h eb l i n d 1 1 0 l em e t h o d s e r i e so fe x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h e e f f e c to fa l t e m a t el o a d i n g st ot h er e d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s s t w ob u t ti o i n tp l a t e so f q 2 3 5s t e e lw e r ep r e p a r e df o rt h ee x p e r i m e n t s a 1 1t h ep l a t e sw e r ew e l d e du n d e rt h es a m e c o n d i t i o nt om a k es u r et h a tt h e yh a v et h es a m er e s i d u a ls t r e s sd i s t 打b u t i o n f o re a c hp l a t e 。t h e s t r e s sf i e l dc a nb ea p p r o x i m a t e l yc o n s i d e r e dt ob ea x i a ls y m m e t r ya b o u tt h ew e l d i n gl i n e 1 1 1 e b l i n d - h o l em e t h o dw a su s e dt oi d e n t i f yt h ei n i t i a lr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h e r e m a i n i n gr e s i d u a ls t r e s sa f t e rt l l ee f f e c to fa l t e r n a t el o a d i n g t h ee x p e r i m e n tc o n c l u d e st h a t a l t e r n a t el o a d i n gd o e sa f f e c t 廿l er e d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s si nac e r t a i nd e g r e e t h e c h a n g eo fr e s i d u a ls t r e s sd e p e n d so nd i s t r i b u t i o no fh a i t i a lr e s i d u a ls t r e s s ，s ；- nc u r v eo f m a t e r i a l ，s t r e s sa m p l i t u d ea n dc y r c l en u m b e ru n d e ra l t e r n a t el o a d i n g a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rs y s t e m i c a l l yd i s c u s s e st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y t i c a ls y s t e m o ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，a n du s e st h er e s e a r c hr e s u l tt os i m u l a t et h ew e l d i n gp r o c e s so f m u l t i - p a s sw e l d i n go fp l a t eb yf e m s o f ta n s y s u l t i m a t e l yt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ta c c o r d s w i t ht r a d i t i o n a la n a l y s i sr e s u l t t h r o u g hr e a l t i m es i m u l a t i o no ft h es t r e s si nm u l t i - p a s s w e l d i n gp r o c e s s ，t h et h e r m a ls t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s si nw e l d i n gc a nb ep r e d i c t e d ，a n dm a y p r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o na n do p t i m i z i n gt h ew e l d i n gt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r sb yu s i n g t h es i m u l a t i v ea n a l y s i sm e t h o di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：r e s i d u a ls t r e s s ；a l t e r n a t el o a d i n g s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o mm u l t i - p a s sw e l d i n g i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 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贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：交变惑益笠周王煜接残金廑左垣鲍挂：陛珏究 作者签名： 鍪。霹犟 日期：2 鲤匿年也i ，月三呈日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目= 盔蔓盐蜒蚴鑫哟章避衄复。 作者签名： 壅：匾辈 日期：趟年也月翌日 一j 睁i 导师签名：诲 ! 日期： 细g年监月晕日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 船舶与海洋结构物是常见的大型焊接结构物，焊接加工过程使得焊缝区域成为整个 结构中敏感脆弱而又特殊的部位，且在焊缝区域必然存在着焊接残余应力场。焊接接头 作为焊接结构的重要部分，其内部存在的残余应力对接头的性能有很大影响，使构件的 强度、韧性下降，并且能导致焊接部位产生应力腐蚀开裂；此外，焊接残余应力伴随的 变形不利于结构制造精度的控制，影响建造质量，还会降低焊接结构的使用性能。焊接 生产中有许多复杂结构，往往需要采用多道焊缝集中焊接，各条焊缝的热影响区交错重 叠，前一道焊缝对后一道起到预热的作用，后一道焊缝对前一道相当于热处理，使得最 后的残余应力场更为复杂。因此，研究多道焊接热循环的传热特点和焊接残余应力的分 布规律，对提高结构的安全性具有重要的理论与工程意义。 船舶与海洋结构物在海洋环境风、浪、流的作用下产生结构交变响应，是导致结构 疲劳损伤的主要因素，同时引起焊接残余应力的衰减工程【1 1 。在交变响应中，交变应力 幅、平均应力和循环周次是影响材料或结构疲劳损伤的最重要参数。结构构件内部存在 的压缩残余应力，将使交变外载荷产生的疲劳损伤减弱；反之，结构构件内部存在的拉 伸残余应力，将使交变外载荷产生的疲劳损伤增强。同时，在交变载荷的作用下，结构 内部残余应力的大小和分布也会发生不可忽略的变化【2 】，这就使得在考察残余应力对材 料疲劳寿命的影响时，有必要考虑在交变载荷作用下残余应力场自身所发生的变化。研 究交变载荷对焊接残余应力场的影响在船舶与海洋工程领域具有重要意义。 1 2国内外研究概况和发展趋势 应用有限元方法模拟焊接温度场和残余应力场，国内外许多学者己做了大量工作。 鉴于焊接过程的复杂性，这些分析大多采用简化模型，如轴对称单元或二维平面假设 3 j ， 从而使计算结果与真实情况相差很大。在进行三维模拟时，国内重点在单道焊的分析1 4 】。 关于三维多道焊的模拟相关文献较少，国外曾经有学者用壳体单元或轴对称模型1 5 做过 分析。目前国内外对多道焊残余应力场的研究仅有三十多年的历史。 日本的上田幸雄等人在2 0 世纪7 0 年代首先以有限元法为基础成功模拟了大厚度深 坡口的多道焊接头的残余应力分布形态，特别是对接厚板多道焊接头的残余应力的分析 表明，最大的残余应力出现在最后一层焊道表面之下。同时，上田幸雄和村川英一提出 了考虑材料力学性能与温度有关的二维和三维焊接热弹塑性有限元法，并发展成为一门 新的学科虮计算焊接力学 。他们对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的残余应力 交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究 和变形进行了三维热弹塑性有限元分析，并得出了满意的结论 6 - 8 】。1 9 7 3 年，v a i d v a n a t h a n 利用板壳理论【9 】，在分析平板对接过程焊接应力的基础上，提出了薄壁管对接环焊缝残 余应力的计算方法，并将计算结果与试验结果进行比较，表明计算值与试验值吻合较好。 但该方法是作为二维应力状态模型得到的计算公式，对于厚壁管道的三维应力状态就不 再适用了。1 9 9 2 年，y s h i m 和e f e n g 等开发了在厚度上多道焊焊接过程的残余应力沿厚 度上分布的模型 1 0 】。随着新型焊接方法的广泛应用，1 9 9 7 年lel i n d g r e n e l l 】等用三维热 一力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力，估计了由此引起的铜 罐的蠕变损伤程度。该模型应用了一种新型自动重新划分网格的单元，并与没有该功能 的单元进行了比较。结果发现，这种新型网格单元在不影响计算精度的前提下可以节省 6 0 的c p u 时间，同时这种跟随热源移动的更精密的有限元网格可以更好地体现强烈的 非线性热一力效应。 我国在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但发展迅速。在2 0 世纪8 0 年代初，西安 交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究。 1 9 8 3 年陈楚等系统地分析了热弹塑性理论，推导出了有限元计算公式，并编制了相应的 计算机程序，在1 9 8 5 年出版了专著“数值分析在焊接中的应用”。上海交通大学汪建华等 人采用三维固有应变有限元方法分析大型简体结构环缝对接焊的焊接变形情况，求得各 条焊道的纵向残余塑变和横向残余塑变数值，并对不同的焊接热输入参数、承载和支撑 条件的影响进行了研究，为实际操作提供了有用的依据和参考【1 2 1 。2 0 0 1 年清华大学的鹿 安理等【13 对厚板焊接过程温度场、应力场进行了数值模拟，在简单构件的基础上进行了 焊接过程三维数值模拟的初步研究，并且采用了热耦合算法，只考虑了温度场对应力应 变的耦合作用，而没有考虑应力应变场对温度场的作用。2 0 0 1 年清华大学赵海燕、张建 强等对多层焊及焊缝金属熔敷进行了数值模拟【l 5 1 。他们对多层焊焊接金属的熔敷是通 过单元死活技术来实现的，同时用分段移动热源模型对焊接过程进行了数值分析，他们 把移动的高斯点热源分段化，作为分段的带状高斯热源处理，在保证一定的精度的前提 下，大大提高了计算效率。并且利用并行计算技术提高了焊接数值模拟和计算效率，通 过适当调整材料高温性能参数有利于有限元解的收敛性。 残余应力的测量技术始于2 0 世纪3 0 年代，发展至今共形成了数十种测量方法。残 余应力的测量方法可分为两大类，即具有一定损伤性的机械释放测量法和无损伤的物理 测量法。机械释放测量法，是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释 放，然后测量其应变的变化求出残余应力。其优点是测量的精度较高，但对构件的损伤 较大。主要包括盲孔法、分割全释放法、逐层铣削法、g u n c r t 切铣环槽法、钻阶梯孔法、 大连理工大学硕士学位论文 套取芯棒法、内孔直接贴片法以及释放管孔周应变测量法。物理测量法，包括x 射线衍 射法、中子衍射法、磁性法、超声波法、电子散斑干涉法等。它对被测构件无损害，但 成本较高。测量残余应力方法中以盲孔法及x 射线衍射法发展比较成熟。 盲孔法是由m a t h e r j 在19 3 4 年提出，后 s o e t e 发展完善而形成系统理论【l6 1 。该方法 操作相对简单，测试成本较低，对构件破坏程度小，可测量各种金属和非金属材料的残 余应力，经过推广后还可测量正交各向异性材料的残余应力。但是，盲孔法测量精度受 许多因素的影响，主要包括：基本力学模型、孔边塑性变形、钻削附加应变、操作工艺 及设备仪器而带来的误差。操作工艺方面的因素主要包括：孔位偏移、孔径和孔深误差、 应变片粘贴质量及灵敏度误差等。采用小孔法测量残余应力还存在一个适用范围问题， 即测量高残余应力时应力集中造成孔边屈服而产生的塑性变形对残余应力测量误差的 影响，如果太大测量结果就没有实际意义。 交变载荷对残余应力场的影响早已引起了各方面的重视。1 9 3 3 年，德国学者b f i l l e r 及b u c h h o l z 试验测得淬火后钢棒表面上的拉伸残余应力略高于钢材的屈服应力，对试件 施加弯曲载荷( 8 x 1 0 s 次循环) 后，测得试件表面上的残余应力显著地减小甚至接近于零。 两位学者认为，交变载荷是降低残余应力的原因。w o z n e y 在疲劳试验机上对喷丸处理 的片状钢试件施加循环载荷，也发现试件内部存在的残余应力有所降低【l7 1 。可见，结构 内部存在的残余应力场会随着交变载荷而改变。但已有研究都是基于试验进行定性分 析，交变载荷参数对残余应力场的影响规律还尚未明确，那么找到交变载荷的各项参数 与残余应力场改变量之间的关系，有利于评估在交变应力作用下焊接残余应力对结构的 实际影响程度。 1 3 本文研究内容 本文主要通过理论学习对焊接残余应力场的形成机理、分布规律及特点等相关知识 有了一个基本的了解，以小孔法为例，学习探讨了焊接残余应力的测量原理和具体操作 方法。 在理论分析的基础上，通过试验对交变载荷的参数与残余应力场改变量之间的关系 进行了初步探索。针对焊接试验件进行交变载荷加载试验，采用小孔释放法测量在不同 交变载荷作用下残余应力场的数值变化，研究交变响应对焊接残余应力场的影响规律。 试验结果可望为实际工程中考察交变载荷对焊接残余应力场的作用提供一个依据，从而 能更真实地考虑焊接残余应力场在结构疲劳寿命评估中所产生的作用。 再次，本文系统地论述了热传导问题的有限单元法的基本原理和热弹塑性理论，为 焊接残余应力场的数值模拟分析提供了理论依据。 交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究 最后，基于大型通用有限元计算软件a n s y s ，以平板对接两道焊为例，寻求比较合 理的三维焊接过程有限元模型，实现温度场与应力场的弱耦合，建立可行的三维焊接温 度场、应力场的动态模拟分析方法。讨论了焊接过程数值模拟的相关问题，如建立模型、 热源选择和相变潜热等问题的处理，通过单元形心比较，顺序提取焊缝处单元，采用“生 死”单元技术实现了多道焊过程中焊缝的填充、熔化和凝固的动态过程，获得了比较接 近于实际的分析效果。实时再现焊接残余应力的大小以及分布情况，便于优化结构设计 和焊接工艺参数，从而实现对焊接残余应力的预控制，也为后续定量研究交变载荷对焊 接残余应力场的影响奠定了基础。 大连理工大学硕士学位论文 2 焊接残余应力的相关理论 2 1焊接残余应力的产生与分布 焊接是一种运用加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸地连接在 一起或在基表面堆敷覆盖层的加工工艺【1 8 】。构件因焊接而产生的内应力称之为焊接应 力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力【1 9 】。焊接过程中，某一瞬时的焊接 应力称之为焊接瞬时应力，它随着时间而变化。焊后残留在焊件内自身相互平衡分布的 焊接应力称之为焊接残余应力。 焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的，主要为热应力，其相反作 用的相变应力可再叠加其上。可以运用以下的经验法则判别产生焊接残余应力的情况： 构件最后冷却的区域以热应力为主时，呈现焊接拉伸应力；以相变应力为主时，呈现焊 接压缩应力【1 8 】。 焊接残余应力在构件内部各个方向都会产生。现在，国际上一般都假定焊接残余主 应力的方向是已知的，并把平行于焊缝方向的称为纵向应力吒，垂直于焊缝方向的称 为横向应力仃v ，沿着焊件厚度方向的称为垂向应力仃，并且应力的大小在沿着同一方 向的各个部位是不同的【1 8 】。另外，在板厚小于2 0 m m 的对接接头结构中垂向应力较小， 一般不予以考虑。平板自由对接焊的焊接残余应力产生的状况如图2 1 所示。 ( a ) 纵向焊接残余应力分布 ( b ) 横向焊接残余应力分布 图2 i 平板对接焊缝的残余应力分布 f i g 2 1 r e s i d u a ls t r e s sf i l e di nb u t tj o i n t 单层焊时，因为受到焊缝截面积的限制，不能在更大的范围内调节功率和焊速，所 以，焊接热循环的调整也受到了限制。多层焊比起单层焊具有更大的调节范围，它是许 交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究 多单层热循环联合在一起的综合作用，同时在相邻焊层之间彼此有热处理的作用，因此 从提高焊接质量来看，多层焊往往具有很大的优越性 2 们。 多层多道焊接时，层间温度是指焊接后道焊缝时前道焊缝的最低温度。对于要求预 热焊接的钢材，层间温度一般应等于或略高于预热温度，若层间温度低于预热温度，应 重新进行预热，控制层间温度也是为了降低冷却温度，并可促使扩散氢逸出焊接区，有 利于防止产生裂纹。 2 1 1焊接残余应力的产生机理 焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的决定性因素。热输入是通过材料 因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动， 最终形成了焊接残余应力。材料因素主要包括有材料特性、热物理常数及力学性能，在 焊接温度场中，这些特性表现出决定热源周围金属运动的内拘束度。制造因素和结构因 素则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度【1 8 】。 焊接残余应力是由多种因素交互作用的结果。通常，若仅就其内约束度的效应而言， 焊接残余应力的产生机理可表述如下：焊接过程中，焊缝区以远高于周围区域的速度被 急剧加热，并局部熔化，与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀受到周围较冷区域的约束限 制，并产生热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限， 结果焊接区形成了不均匀的压缩塑性变形【2 1 】；在冷却过程中，己发生塑性变形的这部分 材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上被拉伸形成拉应力；与此 同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将产生相应的拉应力。因此，这个 区域就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力【1 8 】。 焊缝的纵向、横向及垂向应力的形成机理是相似的。焊缝纵向应力是根据焊缝纵向 收缩受约束的机理产生的，纵向残余拉应力只局限于接近焊缝的一个较窄的区域。在无 较低温度相变发生时，其最大值达到或高于母材屈服极限( 焊件尺寸很小时除外) ，距焊 缝越远其值越小；在周围区域有相对较低的压应力。由于焊缝横向收缩和纵向收缩都能 产生板材平面内的焊接横向应力，特别在板材横向受拘束的条件下更为严重。它们不局 限于接近焊缝的狭窄区域，还包含周围区域【1 8 】。 2 1 2 焊接残余应力的分布规律 焊接结构形式很多，采用熔焊方法完成的中厚板和薄板构件典型焊接接头形式如图 2 2 所示。这些构件中的焊接残余应力场分布各异，但大多为双向应力即平面应力状态， 在厚度方向的残余应力很小，只是在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向的残余应力才 大连理工大学硕士学位论文 有较高的数值2 2 1 ，它将导致危险的三向拉伸应力状态。对接焊平板结构是船舶结构中最 基本、最重要的构件，其焊接残余应力分布也最具有代表性【1 1 。 舌珍 ( a ) 平板对接 眵愈 ( b ) 筒体纵缝 目口审曰 ( c ) 圆筒环缝 ( d ) 圆形封闭焊缝 图2 2 中厚和薄壁构件的典型焊接接头形式 f i g 2 2t y p i c a lw e l d i n gj o i n t si nm i d 一也i c ka n dt h i ns t r u c t u r e ( 1 ) 平板对接直线焊缝中纵向残余应力的分布规律 平板对接直线焊缝所引起的残余应力在x ，y 方向上的分布如图2 3 所示。焊接残余 应力的范围与构件或设备的整体尺寸属于同一数量级【2 3 1 ，在一般钢材上纵向残余拉应力 只局限于接近焊缝的一个较窄的区域，峰值在焊缝区域，可达到或高于母材屈服极限仃。， 距焊缝越远其值越小：在周围区域有较低的压应力。此外，纵向残余应力分布和大小还 取决于基本金属和填充金属的组合。 图2 3 平板对接焊缝引起的残余应力场 f i g 2 3 r e s i d u a ls t r e s sf i l e di nb u t tj o i n t 交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究 ( 2 ) 平板对接直线焊缝中横向残余应力的分布规律 横向残余应力盯、，与纵向残余应力分布规律不同 2 4 1 。如果把平板直焊缝沿中心线切 开，则可以看到如图2 4 所示的变形情况。设想，把已切开的两块板再沿焊缝中心线“缝 合”起来，则在焊缝中心线上出现了如图2 4 ( b ) 所示的垂直于焊缝方向的横向残余应力分 布情况。 o 图2 4 产生焊缝横向残余应力的机理 f i g 2 4 t h e p r i n c i p l eo ft r a n s v e r s er e s i d u a ls t r e s s sa p p e a r a n c e 可见仃、，是由于焊缝及附近塑性变形区的纵向收缩所引起的仃：和焊缝及其附近塑性 变形区横向收缩的不同时性引起的盯：合成。平板对接焊中的横向应力分布规律还与焊 接速度有关。如果板在自由状态下焊接，则横向残余应力值不大【1 8 】。 2 1 3 焊接残余应力的性质和对结构的影响 经过长期的实践和研究，人们逐渐认识到焊接残余应力具有一些特殊性质【2 5 】，这有 助于对焊接残余应力的预测，控制和调整。 ( 1 ) 自相平衡特性：焊接残余应力是内应力的一种，拉、压应力同时存在于一个构件 中，并且相互平衡。在无外界因素干扰的情况下，拉、压应力的分布特征将长期保持稳 定。 ( 2 ) 遵循应力叠加原理：未经消除残余应力的焊接构件投入使用时，由载荷所引起的 工作应力将与焊接残余应力互相叠加，如果两种应力的性质不同、方向相反，叠加的结 果将提高构件的承载能力，如果两种应力的性质和方向相同，叠加后的应力数值往往在 构件的局部区域超过材料的屈服极限。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 产生“应力重分布”现象：当焊件的外部因素( 如载荷、温度等) 引起的应力与残余 应力相叠加后，将在焊件的局部区域产生塑性变形；如果此时消除外部因素的作用，构 件不但不能回复原有的几何形状，而且还将改变残余应力的分布情况，应力峰值将减小。 把上述现象称为“二次变形”和“应力重分布”。二次变形将使构件的形状和尺寸精度发生 变化，降低其使用性能；而应力重分布则使残余应力的数值降低，可以提高焊件的承载 能力和使用寿命。 ( 4 ) 没有明显的外部表现：焊接残余应力和残余变形是同时产生的。残余变形是生产 单位极为重视的，而残余应力的存在则不易被察觉，甚至往往被忽略。焊件在服役过程 中，一旦发现残余应力的存在和作用时，它早已造成某种事故，例如精度下降或局部破 坏等。因此，通过试验和数值模拟手段掌握焊接残余应力的分布，就成为控制和改善它 的先决技术措施了。 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强度、刚度和尺寸 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、抵抗应力腐蚀开裂的能力。焊接残余应力对结构性能有很大影响。 ( 1 ) 焊接残余应力对静载强度的影晌：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，最后会导致整个构件断裂。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，残余应力对构件强度的影响不太显著， 但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。 ( 2 ) 焊接残余应力对刚度的影响：当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加 之和达到屈服极限时，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，而且在卸载后构件的原 来尺寸也不能完全恢复。在加载时刚度和卸载时的回弹量可能会有较明显的下降，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 。 ( 3 ) 焊接残余应力对疲劳强度的影晌：残余应力的存在使变荷载的应力循环发生偏 移。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，其极限应力 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。 交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究 ( 4 ) 焊接残余应力对机械加工精度的影响：机械切削加工把一部分材料从焊件上切 除，如果焊件中存在着残余应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的残余 应力也一起释放从而破坏了原来工件中残余应力的平衡状态，使焊件产生“二次变形”， 加工精度也就受到了影响。 ( 5 ) 焊接残余应力对薄板结构的失稳变形和受压杆件稳定性的影晌：焊后存在于平板 中的焊接残余应力，一般情况下在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力【1 引。 在压应力的作用下，薄板可能失稳，产生波浪变形，这不但使结构外形不美观，而且将 降低一些承受压力的薄板结构的承载能力。当外载引起的压应力与残余应力中压应力叠 加之和达到屈服极限时，这部分截面就丧失进一步承受外载的能力，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【2 1 1 。 ( 6 ) 焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响：应力腐蚀开裂是拉应力和腐蚀介质共同作 用下产生裂纹的现象，在一定的材料和介质的组合下发生。但是焊接后由于焊接残余应 力较大，残余应力和工作应力叠加促使焊缝附近很快产生应力腐蚀。也就是说，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。 对于这种结构，采取适当的消除应力措施，是有利于提高抗腐蚀能力。 2 3 焊接残余应力的测量方法 1 8 4 1 年n e u m a n f e 就发表了首篇定量研究残余应力的论文，然而由于残余应力成 因极其复杂，至今未找到成熟可靠的方法。目前，国内外常用测定残余应力的方法和原 理如下： r 切条法( 适用于薄板试件) 厂机械方法i 小孔法( 多用于中、厚板表面应力测量) i ( 应力释放法) 套钻环形槽法( 适用于厚板表面测量) i ( 破坏性测量) i 套取芯棒法( 测量三向应力沿厚度分布) 糕矧鳓法慕? 鬈墨僦器， ir x 射线法( 用于表面应力测量) l 蒜，协瓣鬻鞴? ， l 中子辐射法( 大厚度内部测量，尚处于研究阶段) 图2 5 焊接残余应力的测量方法分类 大连理工大学硕士学位论文 在确定金属和金属结构的残余应力时，针对工件选择最合理的测定方案很重要，主 要应考虑：允许结构受损伤的程度；金属性能变化的影响；现场测试的适应性；费用和 时间。 美国材料试验协会于1 9 8 1 年首次颁布了用盲孔法测量残余应力的a s t m 标准 e 8 3 7 ，并已几次更新，国内船舶行业也将盲孔法作为测量焊接残余应力的标准。由于钻 孔的直径和深度都不大，所以并不影响被测构件的正常使用，并且这种方法具有较好的 精度，因此应用比较广泛。 2 3 1小孔法测量原理 假设一块各向同性材料的构件中存在某一残余应力，在应力场中钻小孔，孔边的径 向应力下降为零，孔附近应力重新分布，该应力的变化称为释放应力。测得孔附近的与 释放应力相对应的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理来推算出小孔处的残余应力。 ( 1 ) 公式推导【l 】 下面对相关计算公式进行推导。假定沿板的板面方向存在残余应力，此应力在板的 断面内各处均匀分布。如图2 6 所示，表示被测点o 附近的应力状态：取主应力方向上 板的残余应力为o 、。现在研究在点处开一个半径为的小孔的情况。在t 0 2 oad , ：t g 夕b 侧有一半径为r 的同心圆环，在圆环上设置测点p ，其方向与0 1 成矽角。未钻孔前p 点 处周向和径向的残余应力为口j 和盯：， 则此应力将因钻孔而发生变化。当在o 点开小孔 后，此处的残余应力为盯? ，仃? ，因钻孔而在此处附加的应力为叮，和仃，则 图2 6 被测点附近的应力状态 f 远2 6 t h es t r e s ss t a t en e 盯t h em e a s u r e dp o i n t ( 2 1 ) 、l，j】b，甲， + + q q = = 盯 盯 根据弹性力学中平面应力状态原理可知，未钻孔前在任意点p 处的应力分量为： o - = _ o i + - o h + 竿王c o s 2 引 一= 罢等一譬导c o s2 矽i 一 钻孔法测量残余应力时，要在距p 点为，的0 点处钻一个半径为口的小孔，目的是 释放应力一和仃：。根据带孔无限板的弹性力学理论可得到柯西解，可知在p 点处的应 力分量将变为： ，蔫蔫毒毒a 2s a 2 卜亿3 ， 。 q ”= 半( 多一学( 1 + 3 多则矽f 一 二7摹gi+g2一a2g!-02a4a o - 1 o - a 洌卜 ” 仉+ 盯， 。 一，4i 、 q2 q q2 二l 产7 一产3 7 0 0 8 2 矽 l 上式表明了p 点的应力变化与被测点。处的残余应力q 和吒之间的对应关系。在实测 6 r ：去( 听一q ) ( 2 5 ) 2 i ( 听一q ) ( 2 5 ) 将( 2 4 ) 式代入( 2 5 ) 式中即得出p 点处径向应变q 与残余主应力吼和吒的关系式为 2 一警等c q 例+ 啦7 0 - m - 知, ：川j c q 训删 但因应变片的长度为，= 吃一1 ，所测得应变g ，应是，内的平均应变值，即 g 。= 击肛咖 ( 2 7 )g 。2 is ，咖 ( 2 7 ) 吃一吒啊 、 将( 2 6 ) 式代入( 2 7 ) 式积分可得 铲一警2 a _ 1 l 吃c 0 1 + 0 2 ，+ 蕞阻鼍铲叫c g - - g 2 炳2 固 大连理工大学硕士学位论文 令彳：一生兰 2 e 1 2 拈幺e 尘r l r 2 剑皆艘q l 4 吒2 考 j 贝j j ( 2 8 ) 式可简化为 在与主应力成任意角度痧l ，2 ，痧3 三个方向上贴三个应变片，由上式可得三个方程， 即可求出0 - 1 、0 - 2 和矽。为了计算方便，_ - - 个应变片之间夹角采用标准角度，如， 矽+ 4 5 0 ，5 2 i + 9 0 0 ，这样测得的三个应变分别为，占。5 ，。即 其中：占o ，9 4 5 ，e 9 0 分别为0 0 , 4 5 0 ，9 0 0 应变片处的应变值； f 4 ：一坐尘 a 、b 为释放系数 b ：三e 三库三二一一1 【 ，1 吃l4 干考 j 如果三个应变都准确地贴在同一圆周上，则有 a o = a 4 52a 9 0 = a 风= b 4 s = b 9 0 = b 对方程( 2 1 0 ) 联立求解，得 交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究 蛰二芝告一 亿 = ! q 三丝二兰三箜 、7 式( 2 11 ) 是在主应力方向未知的情况- f d 4 l 的测量法的计算公式。 国际上一般都假定焊接残余主应力的方向是已知的，对于平面问题( 吒= o ) ，o x 和q 为其主应力，沿x 轴与y 轴两个方向各贴一个应变片，如图2 7 所示。 l 图2 7 沿主应力方向贴应变片 f i g 2 7 t h es t r a i ng a u g e sa d h e r e da l o n gp r i n c i p l es t r e s sd i r e c t i o n s 对照( 2 1 0 ) 式可知，o 1 = 万j ，仃2 = 仃y ，= o ，气= ，占4 5 = 0 ，= 占y ，这样可得 兹葛二老二霸 偿埘 占y = 彳( 吒+ 盯，) 一b ( q 一仃，) l 、7 解方程组( 2 1 2 ) 得 仃膏。y = 丢l ( s ，+ 占y ) 三( 占j s y ) 去l ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 为在主应力方向已知的情况下小孔测量法的计算公式，适用于本论文中关于焊 接残余应力的测量。 在实际试验中，要测量的数据是释放应变数值占。和占一释放系数a ，b 通过试验在 拉伸试件上标定得到( 原理见2 3 3 节) ，这样就可以求得被测点的残余应力仃，和仃。 ( 2 ) 塑性变形修正 焊接过程特别是熔焊过程包括了金属的加热、熔化、相变和降温，在很短的时间内 温度变化剧烈，而且试件受热不均匀，焊缝及热影响区加热集中。这就导致了焊件在焊 = 矽 2 1 ，j、，【 大连理工大学硕士学位论文 接过程中会产生很大的变形，有的地方材料发生屈服，因而在焊后产生很大的焊接残余 应力，这种残余应力本身已经达到或超过材料的屈服极限。而且，在钻孔后小孔的边缘 处还会产生应力集中，应力集中系数对通孔为3 0 ，盲孔为2 2 3 0 。这样，在焊缝及其 附近区域，小孔的周围由于应力的增加，必然会产生一定量的塑性变形而进入塑性状态。 而在2 3 1 节中得到的式( 2 1 1 ) 及式( 2 1 3 ) 都是在弹性范围内推导出来的，而且还用 了叠加原理，所以在塑性状态下式( 2 11 ) 及式( 2 1 3 ) 己不再适用。 通孔及深盲孔时应变释放系数的表达式为： f 么：一业尘 i2 en 悟鲁 遨等逊一1 1 亿1 4 【 e吒吃l 4 ，1 2 名 式中：e 杨氏模量； 波松比； 口所钻小孔半径： 、应变片敏感栅栏区距小孔的距离。 当材料进入屈服状态后，由于应力应变的弹塑性关系和材料强化等因素的影响，应 变释放系数a ，b 表达式中的材料常数己不是常数，应变释放系数也不再是常数，测 得的释放应变中包含了塑性成分，所以再按照弹性状态来考虑肯定是不合理的，应该对 塑性状态进行修正。a s t m 标准e 8 3 7 8 1 和e 8 3 7 8 5 都指出d , - t l 法测残余应力的适用范 围是应力值不超过材料屈服极限的一半，以避免钻孔边缘的应力值超出材料的弹性极 限。文献【2 6 】提出了一种塑性修正工程方法，并用试验作了验证，本试验采取的是该方法。 塑性力学中的m i s e s 屈服条件可表示为： ! 亟二1 2 1 三丛1 2 型：丛生j ! 三= c ( 2 1 5 ) 结合材料力学中的形状改变比能理论，可知式( 2 1 5 ) 左端即形状改变比能。上式的物理 意义是：当材料的形状改变比能达到极限时即发生屈服。 下面对用小孔释放法测量焊接残余应力时，与形状改变比能相应的一个参量s 的表 达式加以推导。 对于焊接残余应力，认为矾和o r ，相应的方向即主应力方向，考虑到平面应力问