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山东大学硕士学位论文 锤击法消除焊接残余应力的研究 摘要 本文采用小孔法测试锤击前后焊接残余应力的变化，研究了锤击处 理参数对残余应力的影响，用扫描电镜( s e m ) 和显微硬度仪对锤击处 理前后焊缝的组织形貌和硬度变化进行了检测分析，并探讨了锤击法消 r 除焊接残余应力的机理。取得了以下主要成果。 焊缝经过锤击处理后，熔合区附近的残余应力降低幅值最大。母 材上距熔合区越远的部位，应力降低幅值越小。冲击能量对焊接残余应 力的消除效果有很大影响。随着冲击能量的增大，熔合线附近残余应力 降低幅度增大；当冲击能量达一定值时，残余应力变化速度减缓。 单次冲击能量对残余应力的影响比锤击时间大，锤击处理时采用大 冲击功、短冲击时间时消除应力效果较好。高温锤击时，焊缝的塑性较 好，变形阻力小，残余应力的消除效果比室温锤击时好。锤头端面尺寸 较小时，锤头吸收的能量较小，焊缝的变形程度较大，对消除残余应力 n 有利卜 焊缝经过锤击处理后，表层金属发生塑性变形，硬度升高。焊缝金 属受到冲击载荷作用后，产生径向延伸，抵消了焊缝的残余弹性变形， 从而降低了残余应力。 关键词：焊接j 锤击处理i 残余应力i 小孔法 山东大学硕士学位论文 t h es t u d yo nr e l e a s eo fw e l d i n gr e s i d u a l s t r e s s e sb yp e e n i n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ev a r i a t i o no fr e s i d u a ls t r e s sw a sm e a s u r e d b yh o l e d r i l l e dm e t h o db e f o r ea n da f t e rt h ew e l dw a sp e e n e d ，t h e e f f e c to fp e e n i n gp a r a m e t e r s0 nr e s i d u a ls t r e s sw a si n v e s t i g a t e d t h es t r u c t u r a lm o r p h o l o g yo fw e l d sa f t e rp e e n i n gw a so b s e r v e d w i t h s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) t h e h a r d n e s so ft h e p e e n e dw e l dw a st e s t e db ym i c r ov i c k e r s t h em e c h a n i s m o fr e l e a s e o fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sb yp e e n i n gw a sa l s od is c u s s e d t h em a in r e s u l t so b t a i n e da r es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h ed e c r e a s eo fr e s i d u a ls t r e s si nt h ew e l da n df u s i o nz o n e w a sm a x i m u ma f t e rp e e n i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go f - t h ed is t a n c e f r o mt h ew e l d ，t h er e d u c t i o no fr e s i d u a ls t r e s sb e c a m em o r ea n d m o r es m a l l e r t h ei m p a c te n e r g yh a sa ng r e a te f f e c to nt h er e l e a s e o fr e s i d u a ls t r e s s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fi m p a c te n e r g y ，t h e r e d u c e da m p l i r u d eo ft h es t r e s sb e c a m el a r g e t h ec h a n g ev e l o c i t y o ft h es t r e s sb e c a m es l o ww h e nt h ei m p a c te n e r g yr e a c h e daf i x e d v a l u e t h ee f f e c to fe v e r y t i m ei m p a c te n e r g yo nr e s i d u a ls t r e s sw a s i i 山东大学硕士学位论文 b i g g ! ! t h a nt h a to fi m p a c tt i m e w h e ng r e a t e ri m p a c te n e r g ya n d s h o r t e ri m p a c tt i m ew e r eu s e di nt h ec o u r s eo fp e e n i n g ，t h er e s u il o fr e l e a s eo fr e s i d u a ls t r e s s e sw a sb e t t e f w h e nt h ew e l dw a s p e e n e da th i g ht e m p e r a t u r e ，i t sp l a s t i cd e f o r m a t i o nw s sg r e a t e r s ot h er e l e a s eo fr e s i d u a ls t r e s s e sw i t h p e e n i n g a t h i g h t e m p e r a t u r ew a sb e t t e rt h a nt h a ta tl o w e rt e m p e r a t u r e w h e nt h e p e e na r e aw a ss m a ll ，t h ee n e r g yt h a th a m m e ra b s m b e dw a ss m a s ot h ed e f o r m a t i o no ft h ew e l dw a sg r e a t ，d o i n gb e t t e rt ot h e r e l e a s eo fr e s i d u a ls t r e s s p l a s t i cd e f o r m a t i o no c c u r r e da n dt h eh a r d n e s si n c r e a s e dn e a r t h es u r f a c eo ft h ep e e n e dw e l d r a d i a lp r o l o n g a tio no c c u r r e di n t h ew e l da f t e rp e e n i n g ，t h i sc o u l dc o u n t e r a c tr e s i d u a le l a s t i c d e f o r m a t i o n ，s ot h er e s i d u a l s t r e s s e sr e d u c e d k e y w o r d s ：w e l d i n gp e e n i n g r e s i d u a ls t r e s s h o l e d r i l l i n g i i i 山东大学硕士学位论文 1 绪论 在机械制造过程中，很多工序都会在材料内部形成残余应力。总的来说，残 余应力可分为两类，一类是由于在整体结构中，各部件尺寸1 ：协调而强行装配产 生的残余应力；另一类是由于材料内部产生各区域之间自平衡的残余应力。在焊 接结构中，后一类残余应力的产生尤为普遍【l 】。这是由于焊接接头处的不均匀加 热和冷却，不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生 塑性变形，当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生残余应力。 焊接残余应力对构件的承载能力有很大的影响：( 1 ) 内应力对静载强度的 影响。没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定塑性变形能力，内应力 并不影响结构的静载强度。反之，如果材料处于脆性状态，则拉伸内应力和外载 应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。( 2 ) 对疲劳强度的影响。内应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移，这平叶- 偏移只改 变其平均值，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，疲劳强蛮就降低。 ( 3 ) 对结构刚度的影响。当外载产生的应力与结构中某区域的内应力叠加之和达 到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失进一步承受外载的能 力，结构的刚度也随之刚氐。此外，残余应力还会影响到焊件加工精度和尺寸稳 定性，造成应力腐蚀开裂口l 。 因此，如何降低和消除焊接残余应力成为焊接领域的一个重要课题，人们提 出了许多降低和消除残余应力的方法，包括改进加工工艺、热处理法、振动法、 爆炸法、胡械拉伸法、脉冲磁处理法、锤击法等等【1 2 3 4 1 。这些方法都有各自的优 点和局限性。锤击处理消除焊接残余应力早已为人们所知，特别是在铸铁焊接中。 山东大学硕士学位论文 由于铸铁的焊接性很差，在焊接过程中，硬而脆的白口组织难以承受因焊接而产 生的热应力，焊接裂纹的产生不可避免。为了防止焊接裂纹的产生，通常焊后立 即用小锤快速锤击处于高温而具有较高塑性的焊缝，以松弛焊补区的应力。锸 击方法和热处理等消除应力方法相比，操作简单，施工方便，效率高，可以节省 能源，阐氐成本，因而显示出一定的优越性。但目前对锤击法消除残余应力尚缺 乏系统的研究，加之锤击装置比较落后，致使锤击法的应用受到一定的限制。本 课题将较为系统地探讨锤击处理参数对残余应力的影响规律，进而建立锤击参数 与消除残余应力之间的定量关系。因而具有较大的工程应用价值和理论研究意义 1 1 焊接残余应力的形成和消除原理 我们以低碳钢平板上堆焊一条焊缝为例，分析其纵向应力的形成过程口卫。任 取一截面，当此截面处于升温区时，中心温度很高，两边温度很低，中心区受热 膨胀，但截面必须保持平面，由于温度场的分布是对称的，故端面只做平移。在 这种情况下，板条中间受压两侧受拉。这三个区域的应力相互平衡，如图1 - 1 。 图1 1 板条中心加热的应力与变形 当焊缝中心区温度较高时，则在板条中心“c ”区内产生较大的内部变形，使 山东大学硕士学位论文 “c ”区的内部变形率大于金属屈服极限时的变形率，则在c 区中将产生塑性变形。 当焊缝温度达到6 0 0 c 时，此时屈服极限可视为零，压应力消失，内部变形全部 为压缩塑l 生变形。在随后冷却时，焊缝降温将产生收缩，但收缩受到约束】1 5 广： 生拉伸塑性变形，一直降到力学熔点时，在这个期间没有弹性应变，全部的拉伸 应变均为塑眭变形。当温度降到6 0 0 。c ，即力学熔点，材料的屈服极限从零开始 上升，焊缝的收缩受到阻力，从而产生拉应力，随着温度的降低，拉应力逐渐增 大，一直到略。当温度降到力学熔点以下以后，焊缝开始出现弹性拉伸应变和拉 伸应力，一直到室温，焊缝区一直承受拉伸应力，产生拉伸塑性应变和拉伸弹一r ： 应变。但加上焊缝在受热时产生的压缩塑 生变形，以及熔池凝旧时产生收缩，三 者综合作用的结果是产生收缩变形，焊件变短。 常用的消除残余应力的方法有机械拉伸法，热处理法，振动法，碾压法掣2 ”。 机械拉伸法降低残余应力的机理为：焊缝及近缝区纵向残余拉应力一般为屈 服应力o s ，相应的弹性应变为氐，加上拉伸载荷将产生工作应力o p 和应变p 。 因为原来的残余应力已经达到屈服极限，故d 全部为拉伸塑肚应变，卸载后焊缝 和近缝区的弹性应变为蟹昂，最终的残余应力为e k s 。) 。显然 e - 。一s ，) e 6 ，即残余应力降低。若外加载荷引起的工作应力盯，= 以，则 卸载后残余应力全部消失“。 热处理消除残余应力的原理是加热工件，通过原子的扩散，使应力释放。 振动时效的实质是以振动的形式对工件施加附加应力，当附加应力与残余应 力叠加后，达到或超过金属材料的屈服强度时，在工件内部发生微观和宏观的塑 性变形，使其残余应力刚氐和均匀化。 碾压法消除残余应力的原理可以这样描述，焊缝碾压时产! 卜延伸塑性应变， 使最终的残余弹性应变减少，从而刚氐了残余应力。 山东大学硕士学位论文 纵上所述，在室温消除焊接残余应力的方法中，其共同点就是产生拉僻i 塑肚 应变，消除应力的过程实质就是将拉伸弹性应变转变为拉伸塑性应变的过程。 1 2 锤击法研究概况 在美国，锤击法早在二十年代就被用于焊接工艺，但当时有关锤击处理工艺 的要求和规则并没有科学的根据，最直接的原因就是没有办法测量锤击的效果。 但由于在当时人们用锤击法来矫正焊接变形，是焊接大型结构的一个重要工序， 工人在进行生产时没有人知道应该锤击到什么程度最好，锤击程度是不是越大越 好，什么情况属于过度锤击。他们没有标准和规程可以参考，完全凭自己的经验 进行，所以一些工业企业希望美国焊接协会能够尽快制定一套锤击的规程来指导 生产。 四十年代，美国加利福尼亚大学和华盛顿大学对锤击处理进行了研究，认 为锤击处理能够刚氐焊接残余应力，防止焊接裂纹的产生，消除焊接变形【6 l 。五 十年代，美国船舶工程国家试验室和海军试验室联合研制了第一台锤击处理装置， 并对锤击处理对焊接结构的力学性能( 韧性，硬度) 和金相组织的影响进行了研 究，发现试件经过锤击处理后硬度升高，其中在蓝脆温度区间进行锤击处理硬度 最耐日，在文献 7 中，作者建议锤击时最好不要锤击第层焊缝和最后层焊缝， 且认为锤击最后一层焊缝是危险行为。因为锤击最后层焊缝会使工件的韧性下 降，在锤击处易形成微裂纹源，但如果不锤击最后一层焊缝，则锤击法效果便不 太明显。这是早期对锤击法较彻底的一次研究工作，但锤击时j 。生的巨大噪音， 及不能锤击最后一层焊缝，使锤击法的应用受到了限制。后来i b 于其他几种消应 力方法的出现并得到了极大的发展，锤击法的应用范围就更小了。 七十年代以来，国内外学者对于锤击处理可以改善焊接接头的疲劳性能产生 山东大学硕士学位论文 了浓厚的兴趣。大量的研究工作是针对锤击处理改善接头疲劳性能的。焊接结构 的强度一般都取决于焊接接头的强度，尤其是疲劳强度。因为焊接过程会在接头 处形成焊接缺陷，从而使接头的疲劳强度较基体的疲劳强度下降诌：多。目前改善 构件的疲劳强度顶锻方法有两种：一种是采用机械加工和电弧重熔等方法去除接 头中的缺陷。另一种方法是调整接头的应力场。采用锤击法对接头进行处理后， 不但使接头处的拉伸应力变为压应力，而且使材料局部产生加工硬化，从而可提 高工件的疲劳强度1 1 ”。 八十年代以来，随着对铸铁焊接的广泛研究，锤击法消应力也得到了发展。 锤击焊缝可以降低热应力而防止裂纹，这已被公认，因此对钓铁电弧冷焊提出锤 击要求。文献【1 1 指出，在白口铸铁的焊补过程中，硬而脆的白口组织难以承受 因焊接而产生的热应力，焊接裂纹的产生是不可避免的，为了防止焊接裂纹的产 生，通常采用锤击处理来消除焊接应力。 沈阳金属研究所王严岩经过试验指出，锤击处理可以有效地消除焊接残余应 力，其消除残余应力的效果主要取决于锤击处理的工艺参数1 9 】。任登义等采用应 变电测法对锤击力的大小进行了测定，认为锤击强度、锤击时机、母材塑瞄弄口第 一层电流的大小是影响锤击效果的重要因素i l 。王新洪等根据锤击力作用的特 点，建立了锤击消除残余应力的模型，并用该模型对白口铸铁焊补过程进行了实 例分析，对锤击消除焊接残余应力的机理进行了探讨2 1 。 由于锤击的不规范性和焊接残余应力准确测试的困难性，目前，无论是在国 内还是国外，对于锤击法消除残余应力缺乏系统的研究。各个锤击参数和消除焊 接残余应力的定量关系还没有建立起来，再加上锤击装置比较落后，使锤击法的 应用受到了限制。所以到目前为止，锤击法消应力还没有真正地，广泛地应用于 消除焊接结构的残余应力。 山东大学硕士学位论文 1 2 1 锤击提高工件疲劳强度的研究 疲劳断裂是金属结构失效的种主要形式，大量的资料表明，由疲劳而失效 的金属结构约占失效结构的9 0 【i ”。实际构件在j j n i , 造和使用过程p ，l j - j 嚣 种原因( 如焊接、锻造、表面划痕) ，往往存在着各种类型的裂纹，带有裂纹的构 件在变载荷的作用下，裂纹有可能扩展。 焊接结构的疲劳是从焊接接头处产生，这是由于焊接接头处不可避免地存在 焊接缺陷，这些缺陷都可以成为裂纹源，在变载荷的作用下裂纹发生扩展【列。现 在提高焊接接头的疲劳强度主要从以下两个方面进行考虑：一是减少接头处的内 部缺陷，主要方法包括机械加工，辊压，或用t i g 焊或激光： ；l 重熔焊缝的表面。 第二是在接头引入压应力以减小残余应力的影响。主要方法有锤击法和喷射硬化 澍1 31 4 1 。s j m a d d o x 指出，毫无疑问通过减少焊接接头的内部缺陷来提高接头的 疲劳强度现在已经得到广泛的应用，因为它的效果容易观察到| l ”。但是应用锤击 法和其它方法比起来，成本低且易操作，效果明型1 61 7 ”i 。如图1 - 2 所示： l 岛 l 自 e n d u r a n c e c v c h 图1 - 2 各种处理方法对焊缝疲劳强度的影响 山东大学硕士学位论文 i ( n i g h t 认为应用锤击法的效率是辊压法1 2 倍，且作用比辊压法要明显。另 外，锤击法的一些潜在的优点值得进一步的研究卅。 j d h a r r i s o n 通过试验发现，经过锤击处理以后，在2 x 1 0 6 循环次数卜，试样 的疲劳极限提高了7 0 。并指出，锤击处理不但在接头形成了j 在应力，而且能够 刚氏接头处的应力集中系划”l 。 大多数的试验都是针对脉动载荷( r 卸) 的“，o s b o o f l a 对对称交变载荷 ( r i 。1 ) 和捌申变载荷( o d k l ) 进行了研究，发现在焊后不经过处理的隋况下， 交变载荷和脉动载荷对疲劳强度的影响与拉伸变载荷作用下相差不大。但经过锤 击处理后，当i p 1 时，试件的疲劳强度比r = 0 时及焊态的疲劳强度高出许多， 当0 m ， 一mo ，m 。= mr + mot ， 0 ，詹，：= 一1 ：1 c m ，= 一m d ，m 。= 0詹， p 6 的情况下，在“以前，即在 的，。 “时，p ( ，) p 。，m ，在板 中心将取最小值，这与塑性格式a b 不符。因此，f “板进入男一阶段的运动。 在此阶段内，塑| 生铰环将从板中心向外扩张，其半径设为p ，p 是时间的函数， 于是，在“到，。的时段内，板中将存在两个塑性格式不同的区域，而且其边界p 是向外移动的。p ( f ) 到达峰值后开始下降，边界p 则向板中心收缩。直到p = 0 时，设对应的时刻为，。，板的这一阶段的运动终止。因此，这。阶段的运动又可 分为两小段，厶s f f 。，t m 。，t c 。t c 以后，板的运动模j 又与第一种情况 ( p 。，p 。) 的运动相类似。 ( 1 ) t 6 ，t 。 由式( 3 1 5 ) 求出r - f 。时板中心的速度和位移为 a ) o “) = 兰f 6 b - ) 一p 。p r ( 3 - 2 5 a ) “ 山东大学硕士学位论文 c o o “) = _ 2 一f b ( ) 一风p f ( 3 2 5 b ) “o k t 。时板的速度场和位移场分别为 西( ， ) = ( 一云 云r 咕( r ) 一风p r ( 3 - 2 6 a ) c o ( r ，“) = 戎肌一r 壮( ) _ p 。p r ( 3 - 2 6 b ) 这是本段运动的初始条件。 现设板中心部分塑| 生格式为a ，其应力状态为m ，= m 。= m 。，代入运动 方程( 3 5 ) 可得 亩= p ( t )( o r s p ) ( 3 2 7 ) 式中p 为塑l 生铰环的半径。积分上式，可得 西( f ) = f p o ) d r + q o ) ( o r p ) ( 3 - 2 8 ) 式中为未知函数 设r = p 处，外环部分( p ，r ) 的速度为v p ，则十畦据在移动塑f 生铰 环上板的速度应连续的条件，应有 = f p ( r 陟+ q ) ( 3 - 2 9 ) 由上式可以求出 q ( p ) = _ 一f p ( r p r ( 3 - 3 0 ) 现在讨论板的外环部分r r ) 的运动。设这部分板的运动处于塑性格式 ，l 山东大学硕士学位论文 a b 。同时，它的速度场应为 咖而r - r 却一告) p - r _ r 悖， 上式是以p 为自燹量，因此，它适用于f 歹u 时段，f 6 f r 。即p 由0 至0 达p 。， 2 e b p = 。到0 的整个阶段，其中，。即为塑性铰环经扩展后又蜕化到板中心一点时 的时刻。由上式可求出加速度场 酬却叫飘南 哪倒，t b - t - l , ) ，z ， 由于在o ，s p 部分，p = 西，所以，e p ，r 部分的运动方程变为 昙( 似) m ，= 【( - p + p i s ) r d r ( 3 - 3 3 ) 板的外环部分( p r r ) 的速度场为 圳= 百r - - k 札筋+ z 肚) 嘞k ( p ，r ，t 6 t f ) ( 3 - 3 4 ) 对时间积分，可得到这部分板的挠度为 圳= 等h与i 兰考努d r + ：( ，一，。) r p ( f ) 一p 。p r + 脚( ，。) c ，。s ， 根据挠度的连续性，。) 的值为，f 。) 一2 ( r 一- r ) i ( t 。一r ) b ( ) 将上式代入式( 3 3 5 ) ，可放入积分号之内，于是得到 圳= 百r - k 卜i , ( t - r ) p ( r ) mz j ：( 卜r m 咄p 1 p o k 山东大学硕士学位论文 ( p r r ，“t t 。) ( 3 3 6 ) 现在，讨论塑性铰环内部( 0 r p ) 板的运动。 在前面已经求得这部分的速度场为式( 3 2 8 ) ，j 驯t 包含r 未定函数【咖1 。 当时已经指出，函数q 可由，= p 处的速度连续条件确定。川时，在讨论这个问 题时，是以p 为自变量，而将时间，作为的函数，即f = t ( p ) 。于是f 。f ，。、剥 应于。p p 的函数形式为p o ) = 丽了j 2 p 豇o r i 3 两 式( 3 3 0 ) 可写成 q ) = ( r p 妒瑞+ - 2 小础r 卜i , , i p m 及q ) j ：( ，) 砑p ( r ) d r + 掣舭) 嘣k 一卜( r p r ( 3 聊) 将上式代入式( 3 - 2 8 ) 得到塑| 生铰环内板的速度场为 砘归如m m 叫f 精掣j ! ( 卜似小州 ( 0 ，p ，t 6 t f 。) ( 3 - 3 8 ) 与上述步骤相仿，积分上式，并根据r - f 。时挠度连续的条件，可得 圳= 肛捌枷+ ”) f 譬辫什掣肛似) - 础r ( 0 ，p ，“t t 。) ( 3 - 3 9 ) ( 2 ) ，。，f t 。 在本时段内，载荷是递减的，因此，p ( ，) 是时间的函数。这里，p 0 ) 将从p 又逐步减少到零，因此，对于同一个p 值，可以对应于两个不同的时刻，例 山东大学硕士学位论文 如，p = 0 时，f = f 。= r 。，由此可见，在本时段内，p ( f ) 的函数形j 是与日u 一时段刁i 相 同的。讨论本时段的运动的关键在于找到p ( ，) 的变化规律。于p 以内的运动规 律只与p 有关，所以，即使在f 。t t 。时段内仍为 百u 西o , o = 等= 巧1 揪肌r 瑞+ 缸嘞k ( t sr f 。) ( 3 - 4 0 ) 既然已知f 。r ，。时段内r = p 处的运动速度西( p ，t ) ，则塑 生铰环外板的 速度场为 础，扣巧r - r 叱归巧r - l 肼批+ 伍- ，) 瑞 + 兰! f b ( ) 一p 。p r ( p ，r ，。) ( 3 4 1 ) 积分上式，可得到铰环以外板的位移场为 础，归巧r - r 船嘞m + r 譬辨r + 掣r ( r r 物( r ) 确k ( p 舛r ，f m a x f t 。以后，板的运动又同第一阶段的运动相似，速度场! - ! 圆锥形，板内不存 在铰环。这种运动一直持续到，- ，板的速度等于零为止。到此，板的运动过程 全部结束，板又处于静止状态。第一阶段的基本公式可全部移用，但初始条什不 同，即 西。= 2 l v ( t ) 一p 。 ， 山东大学硕士学位论文 式中晚为板中心的加速度。积分上式，得到 西。o ) = 2 f p ( r ) 一p 。p r + 西。( ，。) ( 3 - 4 3 ) 在式( 3 - 4 3 ) 中，令，- t 。，r = 0 ，相应地p = 0 ，t ( r ) = “，得到 哦( 0 , t c ) 2 西。( f 。) = f c p o p r + 2 r b o ) 一风p r ( a ) 已知f p ( r p r 22 p 。o 。“) = 2 胁d r 所以f 。p 0 弦r = 2f b ( r ) 一p 。k r ( b ) _ 将式( b ) 代入( a ) ，再代回式( 3 - 4 3 ) 可得 氐( ，) = 2 f b ( r ) 嘞p r ( 3 - 4 4 ) 于是第三时段板的速度场为 面= 掣肚) _ p o k ( t , t - - t f ) ( 3 4 5 ) 积分上式，得到板的位移场为 = 掣( 讲肌) 确p - z - + u w = 掣m 嘞k 一掣m b ( ) 确p r + f l c o = 掣肛帆) 嘞k 掣肛r 物。) 确p r + , u c o ( o r r , t 。 - t 、人吖一1 1 7 k jf 、 心心、 、心 、 、 0 。 1 、l 、 弋心 、 图4 7 冲击能量对残余应力的影响 由图4 7 可知，锤击处理可以很好消除残余应力，特别是在焊缝的熔合线处， 残余应力的降幅最大，随着冲击能量的增大，消除残余应力的效果越明显。这是 因为随着冲击能量的增大，焊缝吸收的能戥驮，则塑性变形程度加大，从而降 低了焊缝的残余应力。当焊缝向两个方向延伸的塑性变形：大- t - e 。时，焊缝区的应 力状态将变成压应力。 因为焊缝经过锤击处理后，在焊缝及熔合线处的残余应力刚氐的幅值最大， 并且熔合线处在化学成分上和组织i 生t l i ：有很大的不均匀性，在很多情况下熔合 区是产生裂纹、脆性破坏的发源地，也是我们最关心的地方，故采用熔合线处( 尸0 ) 的应力降低幅值来分析锤击能量对残余应力的影响。结果如刚4 - 8 。 山东大学硕士学位论文 2 3 0 e2 2 0 专2 1 0 q2 0 0 1 9 0 1 8 0 1 7 0 1 6 0 1 5 0 1 4 0 1 3 0 1 2 0 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 图4 _ 8 冲击能量和应力刚氐幅值的关系曲线( r - - o 处) 采用曲线拟合的最小二乘法对图中各点进行线性拟合，于是得到冲击能量e 和应力降低幅值a0 的拟合曲线，用方程式( 4 1 ) 来描述。 打“4 5 6 n 1 2 3 4 l 仃2 0 5 1 6 e + 1 5 1 3 9 2 6 e 2 9 7 8 l ( j e 2 9 7 8k j( 4 1 ) 由图4 8 可知，随着冲击能量的增大，应力刚氐的幅值增大。但在刚开始时 随着能量的增加，应力刚氐幅值增大的速度比较快，当冲击能量大于2 9 8 7 k j 时 随着冲击能量的增大，应力刚氐幅值增大的速度变慢。 我们下面看一看在距熔合线5 m m 处冲击能量和应力降低懈值之间的关系 结果如图4 9 。对图中各点进行最小二乘法拟合，得到拟合曲线，见式( 4 2 ) 。 忙a c t 篡= 1 2 6 5 篇e ：6 ， o e 8 6 7k j 8 6 7 e 4 3 7 k j( 4 2 ) e 4 3 7 k j 3 8 山东大学硕士学位论文 02 04 06 08 01 0 01 2 0 e ( k j ) 图牛9 冲击能量和应力阿氐幅值的关系曲线( r = s m m ) 由图4 - 9 知，刚开始时，随着冲击能量的增加，应力降低幅值增大的速度 比较陕，当冲击能量大于8 6 7 k j 时，应力降馏暗直增大的速度变慢，当冲击能量 大于4 3 7 k j 时，应力降低幅值增大的速度变得更慢。 比较图4 培和图4 - 9 发现，冲击能量对熔合线处和距熔合线5 m m 处的残余 应力的影响规律基本相同，都是随着冲击能量的增大应力降低幅值增加，但其增 加的速度由快变慢。 冲击能量表示为冲击功和冲击频率及锤击时间的乘积，下面来分析下冲击 功和锤击时间对应力降低的影响，结果如图4 - 1 0 。 在图4 - 1 0 中，曲线1 表示随着冲击功增大残余应力的降低情况，曲线2 表示 随着锤击时间的延长残余应力的降低情况。曲线1 的斜率大于曲线2 的斜率，也 就是说当冲击能量相同时，冲击功对残余应力的影响比较大，而依靠增加冲击时 间来增加冲击能量的方法消除应力的效果较差。由此可见，在锤击处理中不宜长 时间锤击，而使用大冲击功、短锤击时间的工艺参数消除残余j 世力的效果更好。 瑚伽御啪伽加加。 山东大学硕士学位论文 051 01 52 02 53 03 54 04 5 e ( k j ) 图4 一1 0 冲击能量的不同增加方式对应力刚氐幅值的影响 4 2 锤击时间对残余应力的影晌 锤击时间可以影响锤击处理的效果。锤击时间越长，焊缝7 i 箍击作用下发生 的塑| 生变形也越大，相应地拉伸应力明显降低，如图4 1 l 。 1 8 0 e = i1 5 0 司 1 2 0 9 0 6 0 3 0 j 心 一一1 m i n l i _ 。 一一3 m i nl 一 i l 、 一一5 r n i ni 、 l 、 卜 j 024681 01 2 r ( m m ) 图4 一1 1 不同锤击时间下的应力幅值降低分布图( 冲击功为4 8 j ) 由图4 1 1 可知，在不同的冲击能量下，锤击时间对残余应力的影响规律是一 加 们 柚 一乱乏一。司 山东大学硕士学位论文 样的，锤击时间越长，残余应力的降低幅值越大。可以这样理解，因为锤击时间 越长，焊缝金属的变形越大，当焊缝发生的拉伸塑性变形和焊缝的弹性变形相抵 消，则焊缝的残余应力降低。 在熔合线处( r - - o ) ，锤击时间和应力降低幅值之间的关系如图4 1 2 。 2 0 0 正 王 司1 5 0 1 0 0 5 0 0 t c m i n ) 图4 1 2 锤击时间对残余应力的影响 由图4 1 2 知，随着锤击时间的延长，应力降低幅值增大，残余应力消除效果 较好。但是随羞锤击时间的延长，应力幅值酬氐增加的速度变慢。锤击时间从0 增加到l m i n 时，应力刚氐候值为1 3 0 m p ：当锤击时间从i m i n 增加到3 m i n 时， 应力刚氐幅值增加了3 0 m p ：当锤击时间从3 m i n 延长到5 m i n 时，应力降低幅值 只增加了9 m p 。这主要是加工硬化的原因。因为锤击时间越长，锤击处的加工硬 化越严重，导致锤击处金属的强度升高，变形抗力增加，使后续的塑| 生变形变得 困难，因此随着锤击时间的延长，应力降低幅值增加的幅度减小。 当焊缝金属为高强钢或塑性较差的材料时，若锤击过量使焊缝的塑肚变形超 过焊缝的塑眭极限，焊缝将出现微裂纹，成为焊缝隐患。另外，长时间锤击又会 使焊缝金属加工硬化，韧性降低。 所以，锤击时间不宜过长，一般不超过l r n i n 。 山东大学硕士学位论文 4 3 锤击时机对残余应力的影响 焊后在不同的温度开始锤击焊缝，焊缝的变形能力不一柑，因而影响焊缝的 残余应力消除效果。为了研究锤击温度对残余应力的影响，我们在不同的时刻对 焊缝进行锤击处理，如图4 1 3 是在焊后等焊缝温度降到凝固线附近对焊缝进行锤 击处理的应力分布，图4 - 1 4 是等焊缝冷却到室温时对焊缝进jj ：锤击处理的应力分 布。 由图4 1 3 ，4 1 4 我们看出，室温锤击和高温锤击对残余应力的消除都相当有 效，经过锤击处理后残余应力幅值降低很多，在熔合区处，高温锤 二后应力的降 低幅值达到1 7 65 m p ，锤击后的熔合区附近的最大主应力为肿监力，而室温锤，h 后残余应力降f 氐了1 3 2 m p 。无论是高温锤击还是室温锤击，趴离焊缝越远处，残 余应力降低幅值变小。 l 一一锈自前 l - - i i - - 锤h 后 - 、- l 、 ? 024681 01 2 h 州 【一。b 、 一一一t 1 日诩 | 一 嘣后 - 、 、i l 一 、 、j l _ 。一 ( a ) 主应力0 l( b ) 主应力c ，2 图4 13 高温锤击时的应力分布 山东大学硕士学位论文 9 5 0 。 1 2 5 1 7 5 5 0 2 5 l i 弘 | = ：裂l 一 t 一7 l - - i - - 锤自前 r 一一僵b 后 1 、 j 1 一 、 生1 8 0 ；1 6 0 1 4 0 1 2 0 l o o 8 0 6 0 4 0 2 0 0 。 一- 一高温锤自 、 一一室温锤缶 i 、 、 心 心i 、i 心 0246 81 01 2 r ( m m ) 图4 1 5 锤击温度对残余应力的影响 一般来说，金属及合金经塑l 生变形后，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 山东大学硕士学位论文 当焊后立即锤击时，在焊缝温度降到力学熔点之前，焊缝区金桶的s = o ，焊缝 金属处于理想塑f 生状态，此时的塑性变形最好。在力学熔点以 j ，焊缝温度较高 时，塑性也比较好，因j j 以甲缝易丁进行塑。r l ：变肜。所以亿。衍温仆。j ，烀绁变形 比室温锤击时的变形程度大。 从微观上看，高温锤击时，焊缝金属在锤击的同时也在进jj 带动态回复。当 温度升高时，焊缝金属的原子的活动能力加强，回复过程是原予的迁移扩散过程， 原子迁移的结果，导致金属内部缺陷数量的减少，储存能下降。在低温时，主要 涉及到点缺陷的运动，他们可以移至晶界或位错处消失，也可以合起来形成空位 对，空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失口”。在中等温度和较高温度回复 也涉及到位错的运动，异号位错可以互相吸引而抵消，缠结中的位错进行重新组 合。由于在高温锤击时焊缝在进行着加工硬化的同时也在进行祈回复软化，而在 室温锤击时，只有加工硬化，所以高温n - - 击l c 室温锤击的变形【力小。因此高温 锤击后焊缝的变形程度比室温锤击大。 这就是高温锤击消除焊接残余应力比低温锤击效果好的原川。 4 4 锤头的端面尺寸对残余应力的影响 锤头的端面尺寸是影响锤击效果的一个重要的因素，其大小将影响锤头和 工件的作用面积，以及作用面上的应力分布。实验结果如下图4 1 6 ，4 1 7 ，4 一1 8 。 由图4 - 1 6 ，4 - 1 7 ，4 - 1 8 可知，用小端面尺寸锤头对焊缝进jj ：锤击处理，其消 除残余应力的效果比大端面尺寸锤头好。当用同样的规范锤击烀缝，锤头的端面 尺寸较小，则锤击时的作用面积小，从而单位面积上作用力较火，甚至远远大于 屈服极限，因而焊缝将发生较大的塑陛变形，应力刚氐的幅度较大。 山东大学硕士学位论文 g o 6 0 1 8 0 罾1 5 0 了 1 2 0 9 0 6 0 3 0 0 l l 一- 一钢h 葫茸l - l 一储后l ，一i l 一 ，一i l _ o246 ( a ) 主应力0 81 01 2 _ 一一_ 一锤自前l 、 l 一一铜酣舌i _ 、 l - 二= 7 一 i 024681 01 2 删 主应力o2 图4 1 6 锤头端面直径d = 1 2 m m 时的应力分布 l 、 i - - | - - 钴前l i 一一锤缶后 、_ 一 一一、 024681 0 1 2 “m m ) ( a ) 主应力0 1 、 、一 一- 一锤哺 一一锤骺 一 广 主应力o 2 图4 - 1 7 锤头端面直径d - = 9 m r h 时应力分布 4 5 重) o 山东大学硕士学位论文 呈m 了 q1 5 0 1 2 0 9 0 3 0 j 一 _ 一 l 一一d = 9 m m i l 、 。 i _ 图4 - 1 8 不同端面尺寸下残余应力的分布 另外，从动量守恒和能量守叵的角度看，当锤头的面积较小时，由于两物体 作用的面积小，再加上加工硬化效应，所以锤头将发生的弹性变形和塑性变形也 较小，这样锤头所吸收的弹l 生能和塑性能就少，大部分的能量被焊缝吸收，焊缝 将发生较大的塑性变形。所以，小面积锤头消除残余应力的效果较好一些。 4 5 小结 ( 1 ) 锤击处理是一种很好的消除残余应力的方法，在经过不同规范的锤击 处理后，焊缝及熔合区附近的残余应力得到了不同程度的刚氐，在焊缝熔合线处 应力刚氐的幅值最大，熔合线处的应力锤击后一般为压应力。距离焊缝越远，应 力降低的幅值越低。 (