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

大连理工大学硕士学位论文 摘要 由焊接而产生的动态应力应变过程及其随后出现的残余应力和残余应变，是导致焊 接裂纹和接头强度与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 用寿命等时，必须将焊接残余应力的影响考虑在内。 焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。如果能够利用计算机技 术实现对焊接过程的数值模拟，那么我们就可以在结构设计阶段预估焊接残余应力的大 小与分布从而确定最佳设计方案、最佳工艺方法和焊接参数。本论文基于焊接熟传导理 论、热弹塑性理论，并结合有限元数值计算的方法，建立了与实际实验试件及焊接条件 相符合的有限元计算模型，实现了焊接过程中的瞬态温度场和瞬态热应力场以及焊后残 余应力场的数值模拟计算。计算结果与传统结果和理论值相吻合，残余应力计算结果与 实际测量结果吻合较好，说明本论文的有限元计算程序能够实现平板对接焊焊接过程的 数值模拟，对于实际工程应用具有一定的实用价值。 对于材料承受动力载荷性能的影响而言，焊接残余应力对材料疲劳寿命的影响是重 要的。研究表明，当焊接结构承受交变载荷作用时，焊接残余应力场的分布与大小会随 着交变应力的改变而改变。本文基于小孔释放法测量残余应力的方法，通过实验研究了 交交载荷对焊接残余应力场产生的影响。实验结果表明：第一，焊缝区域附近纵向残余 应力呈现拉应力状态，远离焊缝区域呈现压应力状态，焊缝中心线附近应力峰值接近材 料的屈服强度，测量结果与理论结果相吻合；第二，外加交变载荷在一定程度上能使残 余应力场重新分布，其中纵向拉伸残余应力的下降幅度较为明显。 关键词：残余应力；应力测量；有限元；数值模拟；疲劳寿命；交变载荷 丝塑叁查垄丝堡奎壅垦堡堡旦! 笪壁堡堕壅 r e s e a r c ho nt h ep 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 rt h ee f f e c t o f a l t e r n a t el o a d i n g a b s t r a c t t h ed y n a m i cs t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nd u r i n gw e l d i n gp r o c e s si st h em a i nr e a s o nt o t h ea p p e a r a n c eo fw e l d i n gc r a c k sa n dt h er e d u c t i o no fw e l d i n gj o i n t ss t r e n g t h i th a sag r e a t e f f e c to nt h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c es u c h 嬲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 s c o r r o s i o nc r a c k i n ga n de t e 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 n w h e na n a l y s i so f s t r u c t u r a ls t r e n g t ha n de v a l u a t i o no f s t r u c t u r e sl i f ea r ec a r r i e do u t w e l d i n gi sac o m p l i c a t e dp r o c e s si nw h i c ha r cp h y s i c s ，h e a tt r a n s f e r , m e t a l l u r g ya n d m e c h a n i c sa r ei n v o l v e d 、册1 e ni tc o m e st r u et os i m u l a t et h ew e l d i n gp r o c e s sw i t hc o m p u t e r t e c h n i c ，r e s i d u a ls t r e s si n f o r m a t i o nc a nb ee v a l u a t e dd u r i n gd e s i g np r o c e s s t h u sn e c e s s a r y m e a s u r e sw i l lb et a k e nt od e c i d et h eo p t i m u mp r o j e c t sa n dw e l d i n gp a r a m e t e r st or e d u c et h e r e s i d u a ls t r e s sa sm u c ha sp o s s i b l e b a s e do nh e a tt r a n s f e rt h e o r y t h e r m a le l a s t o - p l a s t i c t h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hf e m , f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h er e a le x p e r i m e n t a l s p e c i m e nw i t hw e l d i n gi n f o h d a t i o ni sf o r m e d c a l c u l a t i o no ft h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d t h ei n d u c e di n s t a n t a n e o u st h e r m a ls t r e s sf i e l da n dt h ef i n a lr e s i d u a ls t r e s sa r ep e r f o r m e di nt h e t 1 1 e s i s t h er e s u l t sa r ep r o v e dt ob ec r e d i b l ec o m p a r e dw i t ha c a d e m i er e s u l t sa n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s n l em e t h o & a n dp r o 掣锄sp r o v i d e di nt h i st h e s i sa r ev a l u a b l et ot h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n a sf o rm a t e r i a l sp e r f o r m a n c eu n d e rt h ee f f e c to fd y n a m i cl o a d i n g ，i tp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ef o rw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s si nt h ea n a l y s i so fm a t e r i a lf a t i g u es t r e n g t h i ti sr e c o r d e dt h a t r 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 e 嬲t h ea l t e r n a t el o a d i n gc h a n g e s b a s e do nt h e b l i n d - h o 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 ee f f e c to fa l t e r n a t e l o a d i n gt 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 i t c o n c l u d e st h a tt h ea l t e r n a t el o a d i n gd o e s m a k ec o n t r i b u t i o nt ot h er e d i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s sf i e l d 1 ki o n g i t u d i i l a lr e s i d u a l s t r e s si si n c l i n e dt od e c l i n ei nn u m e r i c a lv a l u ec o m p a r e dw i t ht h et r a n s v e r s er e s i d u a ls n e s s f u r t h e r m o r e ，ac r i t i c a la l t e r n a t el o a d i n ge x i s t s w h e nt h ea l t e r n a t el o a d i n gi sl e s st h a nt h e c r i t i c a lv a l u e i tm a k e sag r e a te f f e c to nt h er e s i d u a ls t r e s s o t h e r w i s et 1 1 eo v e r t o p p h a gp a r t d o e sn o tm a k ea l le f f e c ta n ym o r e k e yw o r d s ：r e s i d u a ls t r e s s ：s t r e s sm e a s u r e m e n t ；f e m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f a t i g u e l i f e ：a l t e r n a t el o a d i n g i l - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 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 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盆杰! 宣 导师签名盔二 立! z 年上月上b 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景与意义 船舶与海洋结构物是常见的一类大型焊接结构物，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，且在焊缝区域中必然存在着焊接残余应力场。与 载荷应力相比，焊接残余应力是在没有外力作用情况下而产生的内应力，其产生的根本 原因是由于局部的不均匀热输入导致结构内部产生了不均匀的弹塑性变形【”。由焊接而 产生的动态应力应变过程及其随后出现的残余应力和残余应变，是导致焊接裂纹和接头 强度与性能降低的重要因素。焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程本身和焊接 结构的使用性能，它们对结构的静强度、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，可以说，大多数结构的脆性断裂都发生在焊缝处， 所以在考虑结构的强度、使用寿命等时，必须将焊接残余应力的影响考虑在内。 那么，对于材料承受动力载荷性能的影响而言，焊接残余应力对材料疲劳寿命的影 响是重要的【2 】。一般来说，当承受交变应力作用的构件内部存在压缩残余应力时，其疲 劳强度就会提高，反之，存在拉伸残余应力时，疲劳强度则会降低。研究表明，当焊接 结构承受交变载荷作用时，焊接残余应力场的分布大小会随着交变应力的改变而改变【3 】。 但是已有的研究成果都只是建立在实验基础上所得到的定性结论，交变应力在多大程度 上影响着残余应力场的分布，或者说交变应力参数与残余应力场参数之间存在着什么样 的确定关系等问题还犹未可知a 如果它们之闯存在着定量关系，那么找到这个关系对于 评估焊接残余应力对结构在交变应力作用下的实际影响程度。从而为结构疲劳寿命评估 提供一个有价值的参考，这在理论研究和实际应用中都具有重要的意义。 对于船舶与海洋结构物这类大型的焊接结构来说，其工作环境是复杂的海洋环境， 承受的外部载荷主要是来自于风、浪、流三方面的载荷，这三类载荷都是交变载荷，所 以研究交变载荷对焊接残余应力场的影响在船舶海洋工程领域具有重要的理论意义和 实际应用价值。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 自从认识到焊接构件中不可避免地存在残余应力场，并且其对结构会产生重大的影 响以来，众多学者一直钻研于焊接残余应力的研究。迄今为止，焊接残余应力一直是人 们关注的热点问题，仍是焊接生产领域中迫切需要解决的问题。随着工程实际需求的不 断增大，人们研究的领域及深度也在不断扩大。 焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究 近二十年来，国内外学者对焊接残余应力的模拟技术进行了许多研究，取得了不少 成果。但整体来说，数值模拟计算研究还处于初始阶段，许多技术还不成熟，很多问题 还有待于解决。 2 0 世纪7 0 年代，日本的上田幸雄 4 1 等首先以有限元为基础，对各向异性材料提出 了考虑材料机械性能与温度有关的热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接应力应变 过程的分析成为可能。之后，佐藤、上田等又研究了多层多道焊及管子焊接、管子内壁 强制水冷法焊接过程的应力应变状况，并用于指导生产实践。1 9 8 6 年，法国的 j b 1 e b l o n d e 5 】对相变钢的塑性、相交、热应力三者之间的耦合效应进行了研究，并提出 了在考虑耦合效应的前提下本构方程的一般形式，对于弹塑性问题中所涉及的材料物理 性能均可以根据各相的体积分数取平均值，并在上述研究的基础上发展了s y s w e l d 专用 软件。1 9 9 2 年，y s h i m 和e f e n g 等【6 】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。 随着新型焊接方法的广泛应用，1 9 9 7 年，l e l i n d g r e n 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。1 9 9 8 年，t s o l i a n gt e n g 等t 7 1 矛u 用a n s y s 软件采用弹塑性有限元技术分析了薄板 焊接时焊接速度、试件尺寸、外拘束度、预热等对焊接残余应力的影响。从结果分析中 发现，随着焊缝长度的增加，其横向残余应力峰值逐渐降低，在热影响区的压应力变为 拉应力。而外部拘束度可大大增加焊接残余应力，随着预热温度的增加，残余应力略有 下降，焊接速度增加可降低残余应力数值。1 9 9 9 年，澳大利亚的m r f r e w i n 和d a s c o t t 等 8 】人对激光脉冲焊接进行了有限元分析，提出了激光脉冲点焊的三维模型，计算了瞬 态温度场、熔池和焊接热影响区。2 0 0 1 年，美国的z c a o 等例对复杂构件的三维多道焊 热流过程进行了研究。该方法是通过分析边界条件的热传导损失的热量来分析复杂结构 的多道焊与曲边焊道，并且用辅助热源弥补热损失，用a b a q u s 软件分析了残余应力 和变形。 我国在计算机分析焊接力学方面起步比较晚，但是发展迅速。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。1 9 9 5 1 9 9 6 年汪建华等【1 1 】人采用三维热弹塑性有限元法对焊接过程中的动态应力应变及焊后残余 应力和变形进行了数值模拟，探讨了影响三维焊接热弹塑性有跟元分析精度和收敛性的 因素，同时对三维瞬态焊接温度场进行了有限元模拟和计算，认为焊接温度场属于典型 的非线性瞬态热传导问题，并提出了提高三维瞬态焊接温度场求解精度的若干途径。 大连理工大学硕士学位论文 2 0 0 0 年，魏艳红掣1 2 j 对不锈钢焊接凝固裂纹应力应交场进行了数值模拟，通过单元再 生方案消除了焊接结构中熔池变形对熔池尾部应力应变场的影响，并考虑了凝固收缩对 熔池尾部应力应变场的影响，从而得出了较理想的焊接应力应变场。2 0 0 1 年，清华大学 的赵海燕、张建强等 1 3 , 1 4 对多层焊及焊缝金属熔敷进行了数值模拟。对多层焊焊接金属 的熔敷通过单元死活技术来实现，同时用分段移动热源模型对焊接过程进行了数值分 析，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，在保证一定精度的前 提下，大大提高了计算效率，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。 2 0 0 2 年，薛忠明掣州认为连续统力学、现代数值方法和计算机技术相结合可以作为计 算焊接残余应力的主要工具。 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【1 6 】。 残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和非破坏无损伤测量法两种。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。它主要包括钻孔法、分割切条释放法、逐层铣削法等。其优点是测 量的精度较高，但对构件的损伤较大。非破坏性方法包括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。备测量方 法的基本原理将在2 3 节中做简单介绍，在此不予赘述。 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：1 ) 允许结构受损伤的程度；2 ) 金属性能变化的影响；3 ) 现场测试的适应 性；4 ) 费用和时间。残余应力测定方法的不断进步为科学研究和工业生产提供了更大 的方便，今后这一领域的研究工作仍十分艰巨，它的研究和应用仍然是科学研究领域内 的重要工作。 1 3 本文研究内容 本文主要是通过理论学习对焊接残余应力场的形成机理、计算方法及测量方法等基 本相关理论有一个基本的了解，在此基础上借助于大型通用有限元软件a n s y s 进行焊 接温度场与残余应力场的数值模拟计算，并且利用数值计算结果设计实验研究外加交变 载荷对焊接残余应力场的影响。 焊接残余应力的形成机理已经清楚，但是由于焊接过程中所包含的因素之多，情况 之复杂使得焊接残余应力的研究仍然是一个难题，目前研究焊接残余应力的方法主要有 解析法、数值模拟计算法和实验方法随着电子计算机技术的发展，数值计算方法在焊 接领域中的应用也在不断扩大。数值分析为我们准确计算焊接热过程以及焊接残余应力 应变提供了有利的工具，并且数值计算方法拥有解析法和实验方法等传统方法所不可比 焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究 拟的优越性，它能计算解析法所不能解决的实际复杂结构物，能实现实验所不能模拟的 更多状态的计算。对接焊平板结构是船舶结构中最基本、最重要的构件，本文针对这类 构件，根据实际实验能力设计相应的试件以及焊接参数，根据计算需要进行合理的假设 和简化，设定边界条件，利用a n s y s 计算得到温度场和残余应力场的数值模拟结果。 虽然数值方法是我们研究焊接残余应力的一个有利工具。但是其最大的缺陷是必须 要验证计算结果的准确性，实验测量是其中一个有效的验证方法。本文重点介绍了小孔 测量方法，包括其测量原理，公式接导以及在测量过程中的技术说明等，这是目前在工 业上得到广泛应用的测试残余应力的一种方法，具有较好的精度且对被测构件的正常使 用没有影响。 本文的第二大主要内容是设计实验研究交变载荷对焊接残余应力场的影响。实验试 件及焊接参数等与数值计算试件相一致，残余应力测量采用小孔法，交变载荷的参数设 定为应力幅、平均应力以及交变次数。加载时保证其中两个参数是确定的，另一个参数 变化，测量加载前和加载后的残余应力场并进行比较，这样就能得到残余应力场随交变 载荷参数变化而变化的一系列数据，以此分析交变载荷对焊接残余应力场的影响。加载 前测得的残余应力值要与数值计算结果相比较，以检验数值计算的可靠性。实验结果可 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影响。 参考文献 1 宋天明等焊接残余应力的产生与消除中国石化出版社，2 0 0 5 2 】n i n htn g u y e n ，m a w a h a b t h ee f f e c to fu n d e r c u ta n dr e s i d u a l s t r e s s e so i lf a t i g u e b e h a v i o ro f m i s a l i g n e d b u t tj o i n t s e n g i n e e r i n g f r a c t u r em e c h a n i c s 1 9 9 6 ， v 0 1 5 5 ( 3 ) ：4 5 3 4 6 9 3 s t a n e y ，j y b a r t h e l e m y , r h l e g g a t te ta l ，i n c o r p o r a t i o no fr e s i d u a ls t r e s s e si n t o t h es i m a pd e f e c ta s s e s s m e n tp r o c e d u r e e n g i n e e r i n gf r a c t u r em e c h a n i c s j u n 1 9 9 6 ：5 7 3 - 6 1 1 4 周建新，李栋才，徐宏伟焊接残余应力数值模拟的研究与发展金属成形工艺2 0 0 3 年，第2 1 卷 ( 第6 期) ：6 2 - 6 4 5 】l e b l o n djb at h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a la p p r o a c ht ot h ep l a s t i cb e h a v i o u ro f s t e e l s d u r i n gp h a s et r a n s f o r m a t i o n s m e c h p h y s s o l i d s ，1 9 8 6 ，3 4 ( 4 ) 6 】s h i my d e t e 堋i n a t i o n o fr e s i d u a ls t r e s s e si nt h i c k s e c t i o nw e l d m e n t s w e l d i n g j o u r n a l ，1 9 9 2 ( 9 ) 大连理工大学硕士学位论文 【7 t s o - l i a n gt a n g e f f e c to fw e l d i n gc o n d i t i o n so nr e s i d u a ls t r e s s e sd u et ob u t t w e l d s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fp r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p i n g ，1 9 9 8 ( 7 5 ) 8 】mrf r e w i n ，d s c o t t f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fp u l s e dl a s e rw e l d i n g w e l d i n gr e s e a r c h s u p p l e m e n t ，1 9 9 9 ( 1 ) 9 3 zc a o ，m e t a l l o t h e r m o - m e c h a n i c sa p p l i c a t i o nt op h a s et r a n s f o r m a t i o n i n c o r p o r a t e d p r o c e s s e s a p r o c t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o ni nj o i n i n ga n dw e l d i n g c j o s a k a , j a p a n , 2 0 0 1 1 0 陈楚等数值分析在焊接中的应用上海：上海交通大学出版杜，1 9 8 5 1 1 汪建华管板接头三维焊接变形的有限元模拟焊接学报，1 9 9 5 ，1 6 ( 3 ) 1 2 魏艳红不锈钢焊接凝固裂纹应力应变场数值模拟焊接学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 2 ) 1 3 赵海燕分段移动的焊接热源模型的研究与应用第十次全国焊接会议论文集第二册 c ，2 0 0 1 “ 张建强焊接应力与变形的数值模拟方法及应用第十次全国焊接会议论文集第二册 c ，2 0 0 1 ， 1 5 薛忠明焊接温度场与应力场模拟的研究进展中国机械工程，2 0 0 2 ，1 3 ( 1 1 ) 1 6 陈会丽，钟毅，王华昆等残余应力测试方法的研究进展云南冶金2 0 0 5 年，第3 4 卷( 第3 期) ：5 2 - 5 4 5 - 焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究 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 2 1 1 焊接残余应力的产生原理 残余应力是在无外力作用时，以平衡状态存在于物理内部的应力。焊接构件由焊接 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f l 】。 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 焊件内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时的局部不均匀加热 产生不均匀温度场，从而在结构内部产生不均匀弹塑性形变引起的。焊接残余应力有两 个基本特点，一是它是靠自身平衡的内力，二是它可以调整或消除。 焊接残余应力是多种因素交互作用的结果。通常，若仅就其内拘束度的效应而言， 焊接残余应力的产生机理可表述如下 2 1 。焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝 区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压 缩塑性变形；在冷却过程中，已发生塑性变形的这部分材料( 如长焊缝的两侧) 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。这样，在焊接接头区产生 了缩短的不协调应变，与其相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接 瞬态应力。而焊后，在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊接残余应力。 2 1 2 常见结构焊接残余应力的一般分布规律 移圆 ( a ) 平板对接( b ) 简体纵缝 国口审曰 ( c ) 圆筒环缝 ( d ) 圆形封闭焊缝 图2 1 中厚和薄壁构件的典型焊接接头形式 f i g 2 1t y p i c a lw e l d i n g j o i n t si nm i d t h i c ka n dt h i ns t r u c t u r e 大连理工大学硕士学位论文 焊接结构形式很多，采用熔焊方法完成的中厚和薄板构件典型焊接接头形式示意如 图2 1 。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，只是在大型构件厚截面焊缝中，在厚度方向的残余应力才 有较高的数值p 】。 ( 1 ) 平板对接直线焊缝中的残余应力 纵向残余应力的分布规律 q ( 产o ) 丑 图2 2 平板对接焊缝引起的残余应力场 f i g 2 2r e s i d u a ls t r e s sf i e l di nb u t t j o i n t 平板对接直线焊缝所引起的残余应力在x 、y 方向上的分布示意如图2 2 在一般钢 材上，纵向残余应力q 的峰值在焊缝中心线上，可接近材料的屈服强度吒，而横向残 余应力吒的数值较小。 一 瓜所i 灿渺 渺 ( a ) 软镥 肌雁 “l u j 目， l v 、目i 灿 、 胛丌纱 灿拶 f妙 ( b ) 铝合金 胍，| ：。雁 ww 山灿 ( c ) 台金结构锕采用铁薯体填充金属( d ) 高台金结构钢采用奥氏体填充台属 图2 3 焊缝纵向残余应力和应力分布的变化 f i g 2 3l o n g i t u d i n a lr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n a n dv a r i e t y 焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究 根据实际测定，纵向应力最大值和屈服极限的比较列于表2 1 。在铝和钛合金中观 察到了残余应力最大值低于屈服极限的情况，这主要是受这类材料的热物理性能的影 响，同时也与热源通过时横截面的剪切翘曲有关。 表2 1 不同基本金属焊接接头纵向残余应力的最大值a 二。，并与屈服极限吒相比较 t a b 2 it h em a x i m u mv a l u e so j m l “o f l o n g i t u d i n a lr e s i d u a ls t r e s si nw e l d i n g j o i n tf o r d i f f e r e n tk i n d so f m e n t a l a n dt h e i rc o m p a r i s o nw i t ht h er e l a t i v ey i e l ds t r e s s 基本金属 吒( n m m 2 )吒。( n 2 ) 软钢和低合金钢 2 1 0 一- 2 4 02 1 0 唧2 4 0 非硬化奥氏体钢 2 8 0 _ 一3 0 02 8 0 一3 5 0 铝合金a i m 9 6 1 6 0 8 0 一一1 2 0 钛合金5 0 0 一一7 0 0 3 0 0 - - q 0 0 横向残余应力的分布规律f 4 】 平板对接焊缝中横向( 垂直于焊缝方向) 残余应力q 的分布情况与前面所述的吒的 分布规律不同。如果把平板直焊缝沿中心线切开，则可以看如图2 4 ( a ) 所示的形变情况： 设想，把已切开的两块板再沿焊缝中心线“缝合”起来，则在y = o 的中线上出现了如图 2 4 所示的垂直于焊缝方向的残余应力吼分布情况。 ( a ) ( b ) 图2 4 产生焊缝横向残余应力的机理 f i g 2 4t h ep r i n c i p l eo f t 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 o 大连理工大学硕士学位论文 可见，巳是由于焊缝及附近塑性变形区的纵向收缩所引起的q 和焊缝及其附近塑 性变形区横向收缩的不同时性引起的q 合成。乎板对接时，通常焊缝中心截面上的q 在两端为压应力，中间为拉应力。瓯的数值与板的尺寸有关，见图2 5 。 图2 5 不同长度平板对接时t 的分布规律 f i g 2 5t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fo ：f o rf l a tp l a t ei nd i f f e r e n tl e n g t h 哆。的分布与焊接方向和顺序有关( 图2 6 ) 。图中箭头为焊接方向，哆为町及哆 两者的综合。 ( a ) 由中心向两端( b ) 由两端向中心 图2 6 不同焊接方向时q 的分布 f g 2 5t h ed i s t r i b u t i o no f 巳f o rd i f f e r e n tw e l d i n gd i r e c t i o n 焊缝横向残余应力产生的直接原因，是来自焊缝冷却的横向收缩，间接原因是来自 焊缝的纵向收缩。另外，表面和内部不同的冷却过程，以及可能叠加的相变过程也是影 响的因素。实验过程中观察到的坡口间隙张开或闭合，主要发生在高温，而且高温屈服 极限相当低，因而对残余应力几乎没有什么影响。 焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究 ( 2 ) 圆筒纵向焊缝中的残余应力【5 】 纵向焊缝在圆筒或圆锥壳体上引起的吒与沿轴线x 方向( 焊缝方向) 的分布类 似于平板对接时的情况，只是壳体刚性与平板不同，在测量焊接残余应力时应考虑初始 面外失稳变形的影响。图2 7 为在t c l 钛合金圆筒( 巾1 9 0 m m ，厚1 5 r a m ，长3 6 0 r a m ) 上的实测结果。 t c l a 6 2 0 1 0 日 乏0 占 一1 0 2 0 。 o 。 一 一1 0 v3 0 0 赢 图2 7 圆筒纵缝引起的残余应力o x 、0 0 沿轴线的分布 f i g 2 7t h ed i s t r i b u t i o no f 吒、o - oa l o n gf i x e sd i r e c t i o ni nc y l i n d e r l o n g i t u d i n a lw e l d i n g j o i n t 一 塑三盔堂堕主堂垡墼 图2 8 给出了吒沿圆周长度上的分布规律。为了计算方便，可以在已知焊缝区不协 调应变( 初始应变) 大小及分布区宽度的条件下，简化为圆柱形简体的弹性力学问题， 求解吒在圆周长度方向的分布，在图中理论计算值用虚线给出。在焊缝以外的测试结果 还显示了简体冷滚弯成形时造成的弯曲应力在内外表面上的差别。 图2 8 圆筒纵缝引起的吒沿圆周展开长度方向的分布 f i g 2 8t h ed i s t r i b u t i o no f 吒a l o n gc i r c u m f e r e n c ed i r e c t i o ni nc y l i n d e rl o n g i t u d i n a lw e l d i n g j o i n t ( 3 ) 圆筒环焊缝中的残余应力 环形焊缝在圆筒上7 1 起的残余应力大小及其分布与简体的材料及刚性有关。沿圆周 方向平行于环缝的应力在母线方向的分布以及垂直于环缝的应力吒沿x 向和在圆周 长度上的分布实测结果示于图2 9 ，简体的材料为t c l 钛合金( q b l 9 0 m m ，厚1 s m m ， 长3 6 0 r a m ) 。 焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究 0加载过程 五= 0中性过程 z 、 o 护二、 o ，4 - 2 4 0 k p i n l n 刮1 x l o 。 大连理工大学硕士学位论文 参考文献 1 中国机械工程学会焊接学会焊接手册( 第2 版)