（材料加工工程专业论文）高速列车铝合金车体焊接构件残余应力数值模拟.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国高速铁路的快速发展，高速列车的速度不断的提升，高速列车的生产质 量要求也相应的提高。焊接作为高速列车生产的重要手段，焊接残余应力和残余变形 一直是生产过程面临的难题，焊接残余变形不仅会影响列车外形的美观，而且会导致 车体装配尺寸出现偏差；焊接残余应力对列车的疲劳强度有较大的影响。因此，掌握 铝合金焊接残余应力和残余变形规律可以为设计、生产提供帮助。 本文使用s y s w e l d 有限元软件，对某型号的高速列车铝合金车体进行焊接模拟。 铝合金车体是由底架、侧墙、车顶等结构组成，使用的材料为a 5 0 8 3 p o 、a 6 n o l s t 5 、 a 7 n 0 1 s t 4 、a 7 n o l s t 5 。在进行焊接模拟过程中，需要提供四种材料的性能参数， 如果通过实验测试材料性能参数，所需要的成本较高。因此，本文使用j m a t p r 0 4 1 软 件对四种材料进行计算，并利用获得的不同温度下材料参数建立铝合金材料数据库。 通过对铝合金车体构件温度场模拟，获得焊接过程中热量的变化规律及构件经历的热 循环曲线，为应力场分析提供依据。利用s y s w e l d 软件对铝合金车体构件在现有焊 接工艺下进行应力场模拟，结合实际测试结果分析焊接残余应力的分布规律。计算结 果显示铝合金焊接残余应力的最大值出现在焊缝及近缝区，大小为材料屈服强度的 0 6 o 8 。改变焊接顺序和约束载荷，分析两者对应力场的影响。 关键词：材料数据库；焊接残余应力；温度场；铝合金车体；应力场计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i mm er a p i dd e v e l o p m e n to fm 咖s p e e dr a i l w a ymc h i n a ，n l eh i 曲- s p e e d 饥l h ls p e e d i sc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g a sar e s u l t ，t l l ep r o d u c t i o no fl l i 曲一s p e c d 仃a i ni sc o 玎e s p o n d i n g i m p r o v e di i lq m l i t ) ，r e q u i r 锄e i l t s w e l d i n gw 嬲r e g a r d e d 舔觚i m p o r t a l l tm e 觚so f h i 曲s p e e dt r a i np r o d u c t i o n ；t l l ew e l d i n gr e s i d u a ls 价s s a n dr e s i d u a ld e f o n i l a t i o nh a v eb e ad i f ：e i c u l ti s s u ei nm ep r o d u c t i o np r o c e s s n o to n l yi i o e sr e s i d u a ld e f o n n a t i o no ft h et r a i n a 矗e c tt h ea p p e 锄n c eo fs h 印e ，b u ta l s oi tw i l lr e s u l ti nd e v i a t i o no fm eb o d ya s s 曲1 y d i m e i l s i o n s w b l d i n gr e s i d u a ls 协e s so nf a t i g u es t r 饥g t ho ft l l e 仃a i nh a sa 伊e a t e ri m p a c t 1 1 1 e r e f o r e ，m a s t 耐n g 吐l ea l l o yw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa i l dr e s i d u a ld e f o m a t i o nc a l lp r o v i d e h e l pf o rm ed e s i 萨a n dt l l ep r o d u c t i o n t 1 1 es y s w e l ds o 腑a r ew 勰u s e di i l l i sa n i c l e nw 嬲u s e df o rat y p eo fl l i 曲一s p e e d 仃a i ns i n m l a t i o no fw e l d i n gn 吼i n u ma l l o yb o d y a l 啪i n _ u r i lb o d yi sf b n i l e db yac h a u s s i s ， s i d ew a l l sa l l dar o o t h em a t e r i a l sl l s e da r em ea 5 0 8 3 p o ，a 6 n 0 1 s - t 5 ，a 7 n o l s t 4a n d a 7 n 0 1s t 5 d u r i n gm ew e l d i n gs i 舢l a t i o i l ，t h ep e r f - o m a i l c ep a r a m e t e r so ft h e s em a t i 嘶a l s w e r cn e e d e d i ft h em a t e r i a lp r o p e n i e sw e r et e s t e db ye x p e r i m e i l t s ，i tw o u l dn e e dt l l eh i g l l c 0 s t t t l e r e f o r e ，m ej m a t p r 0 4 1s o 脚a r ew a l su s et oc a l c u l a t et l l e s ef o l l rm a t e r i a l sp r o p e n i e s i nt l l i s 硪i c l ea n d 1 em a t 耐a l so b t a i n e da td i f 衔吼tt e m p e r a _ t u 】旧sw e r eu s e dt 0 懿t a b l i s h p a r a m e t e r so fa l 啪i n 哪a l l o ym a t 舐a ld a t a b a s e t h ev 撕a t i o no f h e a to b t a j n e di n m e w e l d i n gp r o c e s sa n dt ：h e 肌a lc y c l i n gc i l r v 船o fc o m p o n e n t so b t a i n e d ，p m v i d e dm e b 商sf 0 r t h es t r e s sf i e l d 孤a l y s i sn l 】o u g l lt h es i m u l a t i o no ft 锄p 印m 鹏f i e l do fa l 啪i 伽mb o d y c o n l p o n e i 】临u n d e rt h ee x i s t i n gw e l d i n gp r o c e s s ，m ea l u m i n u ma l l o yb o d y w o r kc o m p o n e n t h 蠲b e e ns i m u l a t e ds t r e s sw i ms y s w e l ds o 脚a r e ，a n da n a l y s i sw e l d i n gr e s i d u a ls t l e s s d i s t r i b u t i o nm l ec o m b i n i n gw i ma c t u a ls i m u l a t e ds 仃e s s c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e m a ) 【i m 啪o fa l 啪i m l l na l l o yw e l d i n gr c s i d l l a ls t r e s si si i lt h ew e l ds e a ma p p e a rn e a r 锄d a r e a ，锄dm es i z ei so 6t o0 8f o rm a t e r i a l ) ，i e l ds 仃g t h c h a i l g em ew e l d i n gs e q u e n c ea n d c o n s t r a i n tl o a d ，a n da i l a l y z e dt h ei n n u e i l c et 0m es 骶s sj f i e l d k e y w o r d s ：m a t e r i a ld a t a b a s e ；w e l d i n gr e s i d l l a ls 臼e s s ；t e m p e r a t u r e ；a l u m i n u mb o d y ； s t r e s sf i e l dc a l c l l l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 交通是一个地区、国家经济发展的重要影响因素。由于我国资源分布和经济发展 的特殊性，铁路运输的重要性在我国尤为突出，可以说在我国的经济发展历程中，铁 路运输在促进经济发展中发挥着不可替代的作用。随着我国国民经济的快速发展，人 们物质生活水平的大幅度提高，现有的铁路运输已经不能满足经济发展和人们出行的 需求，同时高速公路和航空运输经过几年高速发展，对铁路运输提出了更高的挑战。 提速对于铁路运输来说势在必行，虽然我国的铁路运输已经进行了6 次大提速，但是 还是没法满足人们生活的和国民经济发展的需求，因此，发展高速铁路运输成了我国 当前的一大主题。 一般将最高运行速度达到或超过2 0 0 妇汕的铁路列车定义为高速列车【l 】。最早的 高速列车设想是法国在2 0 世纪5 0 年代提出的，而世界上最早用于运营的高速列车则 是6 0 年代日本开通的新干线，最高时速可达到4 4 3 虹协，新干线的运营速度达到 2 7 0 l ( i l 讹或3 0 0 h 讹【1 1 。世界上最快高速列车的速度是法国的t g v 系列创下的 5 7 4 8 洲2 1 。高速铁路作为一种新的铁路运营模式，经过多年的发展，受到越来越多 的国家的重视。高速铁路成了世界铁路发展的主题。 车体作为高速列车上的一个重要组成，车体生产的质量影响着整个高速列车的安 全，焊接作为车体生产的主要手段，焊接工艺的好坏，决定着车体的质量和生产效率。 随着我国高速铁路的飞速发展，车体材料从不锈钢发展到铝合金型材，材料的转换， 对焊接生产工艺提出更高的要求。铝合金焊接和普通钢材的焊接有很大的区别。这些 区别往往是由铝合金本身性质所引起。如铝合金的导热系数大，同样结构焊接采用的 线能量比普通钢材大；铝合金的表面容易被氧化生成难熔的三氧化二，铝在焊接之前 需要对工件表面进行处理【3 】；同样因为容易被氧化，在焊接过程中要注意采取保护措施， 防止工件表面和空气接触被氧化生成难熔物质，落入焊缝中造成夹渣的焊接缺陷。在 生产企业中，过去生产的火车车体材料一般为普通钢材，经过长期的生产，对钢材焊 接形成一套成熟的技术，但在产品材料转变时，对于新材料的生产工艺没有整套的实 践经验更缺少系统的研究，对新焊接工艺只能边实践边摸索，如对焊接变形的控制、 焊接后残余应力对结构的影响等，这样对生产效率和产品质量有较大的影响。在高速 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 列车上使用大量的型材结构，这又进一步增加了提高焊接效率和研究焊接影响的难度。 焊接数值模拟经过几十年的发展，已经形成一套完整理论，同时经过大量的实践证明， 采用焊接模拟技术研究焊接工艺和焊接对结构的影响，可以节省大量的工艺研究周期 和成本，被广泛的运用到各种生产领域。 1 1 我国动车组的发展状况 9 0 年代以来我国铁路运量需求和实际的运输能力一直存在矛盾，导致铁路运输出 现“买票难，坐车难”的局面，为了解决这一困境，在2 0 0 7 年4 月1 8 日的第六次铁路 提速时，铁道部推出了动车组系列高速列车【4 】。在这一系列的动车组统一命名为“和谐 号”，在这个系列中到现在出现了c r h l 、c r h 2 、c l m 3 、c i m 5 、c i m 6 等车型。c i m l 是我国从国外引进的第一款高速动车组，是由四方机车车辆厂和加拿大庞巴迪合资公 司b s p 生产的，最高运行速度为2 0 0 k i 】汕，车体采用的材料为不锈钢，开始的车型没有 考虑气密性【5 1 。这款动车组最早运营于“广深线”。和c r h l 同时引进的还有c i m 2 、c i m 5 动车组，这两款的最高运行速度同样是2 0 0 h 油，车体的材料为铝合金，这样大大的降 低了车体的重量。c i m 2 是四方机车车辆厂引进川崎重工技术生产的，四方机车车辆厂 在吸收了c r h 2 技术后，在这基础上研制出了3 0 0 k n ：洫的c r h 2 c ，这款车型最高运行 速度可以达到3 5 0 蛔 油【5 1 。c i m 5 是由长春轨道客车股份有限公司生产的动车组，该动 车组采用的是法国阿尔斯通的技术。c r h 6 是由中国南车南京浦镇车辆公司联合广东省 成立的广东轨道交通车辆修造基地即将生产的国内最新型城际动车组，其运营速度为 2 0 0 k i i 油【5 1 。经过这几年的发展，我国建成并投入使用的高速铁路线路已达几千公里。 高速列车从开始的整车购买、引进生产技术，到开发出具有自己知识产权的更高速度 的动车组，中国的高速铁路正在以自己独有的速度飞速发展。高铁的出现改变了我国 铁路的运输模式，使得铁路运输能力不足的局面得到一定的缓解。 1 2 焊接模拟的发展及应用 数值模拟是依据实际工程问题建立数学模型，根据实际的边界条件，结合理论知 识，对不同影响因素的结果进行预测6 1 。数值模拟的结果在一定程度上可以满足工程的 需要，同时运用数值模拟往往可以降低生产成本，预测生产过程中可能出现的问题， 缩短产品的研发周期，因此被广泛的使用在各个领域。焊接作为一个生产中常用的手 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 段，焊接现象和焊接对结构的影响研究一直没有中断过。焊接是一个牵涉到电弧物理、 产热、冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括了焊接时的传热过程、金属熔化凝固， 冷却时的相变、焊接残余应力与残余变形，要想获得高质量的焊接结构就必须控制这 些因素【6 】。随着计算机的发展，运算能力大幅度的提高，这就为数值模拟运用到焊接领 域提供了基础。数值模拟被用来确定焊接结构、优化焊接工艺、设计焊接参数等，如 焊接残余应力对结构的疲劳强度、应力腐蚀开裂有不利的影响，通过事先做焊接模拟 了解残余应力的分布规律，设计时做出相应改善的措施，降低焊接残余应力的影响【7 】。 过去确定焊接工艺往往是依靠经验来制定，然后通过实验进行验证修改，这样会导致 实验成本增加，工艺制定周期延长。如果使用焊接模拟，可以对多种焊接工艺进行计 算，最终确定最优方案，通过少许实验验证就可以获得合理的焊接工艺。焊接模拟在 焊接生产中扮演的作用越来越重要，许多国家投入大量的人力财力研究焊接模拟技术。 在最近的几十年里，国内外对焊接模拟的应用做了大量的研究，也取得了不少的成果， 如日本上田幸雄使用热弹塑性理论研究焊接，发表了2 2 8 篇过于焊接力学的论文【8 】；美 国的k m a s u b u d l i 对焊接残余应力和残余变形做了大量的研究等。国内对焊接模拟技 术的开始于2 0 世纪8 0 年代初，经过多年的发展，也取得了不少成果。上海交大对三 维焊接问题取得不小的进展，并在实际工程中应用成功【9 】；哈尔滨工业大学对熔池和电 弧方面进行模拟研列1 0 】。 1 3 课题背景、目的、内容 我国高速铁路正在以自己独特的速度高速发展，高速列车的运行速度不断的提高， 为保证速度不断提高的列车安全，对列车车体的生产质量提出更高的要求。提高列车 的运行速度，其中一个措施就是对车体实现轻量化。列车轻量化，不仅可以减小牵引 的动力，减小能耗，同时可以减小惯性，提高制动系统的安全性【i 。在选择现代轨道 车辆材料时应该满足以下要求：能够尽量降低列车重量，拉伸、弯曲强度、垂直载荷、 意外碰撞可以满足标准要求，同时具有耐磨、耐腐蚀、抗震、耐火等性能，并易于加 工制造和维护，价格适宜【1 2 1 。铝合金材料的密度小，具有较高的强度级别，表面容易 氧化生成难熔物质，具有一定的抗腐蚀性，同时随着铝合金的加工技术不断完善，如 挤压、冲压工艺，可以生产出符合高速列车强度要求的型材，而且铝合金具有可以回 收，价格适宜的特点，因此铝合金型材被大量的使用到高速列车上。高速列车上选用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的铝合金从开始的5 系逐渐发展到6 系再到7 系，列车的性能不断的提高。铝合金的 使用量从开始的局部结构发展到整车全铝化，高速列车的自重不断的减小。焊接作为 高速列车生产的重要手段，焊接质量的好坏影响着高速列车的安全。铝合金的焊接性 和钢材有很大的区别，焊接方法的选择面较小，焊接工艺制定更加复杂 1 3 】。在高速列 车的焊接中大部分采用的m i g 焊，对于长直焊缝采用自动焊，还有一些采用t i g 焊。 由于铝合金的导热系数大，散热快，热膨胀系数大，在焊接完成后容易出现较大变形 和残余应力【3 1 。如果不能掌握和控制焊接变形规律，容易导致列车装配尺寸出现偏差； 焊接残余应力则会影响列车的疲劳强度、应力腐蚀开裂等。在国内对铝合金焊接变形 规律和残余应力分布规律的研究起步较晚，而这方面的资料对铝合金车体的设计、生 产有着重要的指导意义。 本文使用s y s w e l d 软件对某型号铝合金高速列车的车体进行焊接残余应力模 拟，车体结构由底架、侧墙、车顶等组成，使用的铝合金型号为a 5 0 8 3 p o 、a 6 n 0 1 s t 5 、 a 7 n o l s t 4 、a 7 n 0 1 s t 5 。采用的焊接方法大部分为m i g 焊，还有一部分t i g 焊。在 计算分析之前对车体上的焊接接头进行分类，本文选取车体中典型的三种焊接接头和 局部结构进行模拟。在对铝合金车体进行焊接模拟中需要铝合金材料在各个温度下的 材料性能，虽然在s y s w e l d 软件中带有部分铝合金的性能参数，但是和实际高速列 车使用的采用有一定的差异。因此，在对结构进行焊接模拟之前，建立四种铝合金的 材料数据库。对于高温下的性能参数如果通过实验获得成本较高。因此，在本文中使 用的高温下的铝合金性能参数通过j m a t p r 4 1 软件计算或查阅材料手册和文献获得。利 用建立的铝合金材料数据库对高速列车车体接头和局部结构进行模拟，并和实际测试 结果相比较，分析车体结构在现有工艺下焊接残余应力的大小和分布规律，并研究焊 接顺序对残余应力分布、大小的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章焊接残余应力 焊接构件在焊接完成后，如果不进行相应的处理大部分结构中都会存在残余应力。 焊接残余应力属于内应力，在不受外载影响下，焊接残余应力在结构中处于自平衡状 态，随着时间的推移会慢慢释放出来。焊接残余应力的释放往往会产生二次变形，从 而影响后面结构的装配尺寸。残余应力的存在对结构的各种性能都有影响，特别是残 余拉应力的危害是最大的。为了控制甚至消除焊接残余应力，就要先了解其产生机理。 焊接残余应力产生的根本原因是在结构中产生局部区域的塑性变形。焊接过程工 件受热不均匀是导致这一现象的直接原因，焊接热源截面积小，热量高度集中，作用 在工件的区域也小，这就出现了结构局部区域在热源的作用下发生了熔化，而附近区 域的温度变化梯度很小，材料的屈服强度随着温度的升高，而快速的降低。由于结构 局部区域存在温度梯度，使得这部分材料的屈服强度、比热容、热膨胀等性能参数也 出现了梯度。熔池中心材料液化，体积膨胀，边上的材料还是固体状限制了它的膨胀， 导致熔池材料受到压缩，而这时候熔池材料的屈服强度很低，容易发生压缩塑性变形。 当冷却时，发生塑性变形的区域没法恢复，形成残余拉应力区，这也解释了残余拉应 力经常出现在焊缝位置。 2 1 焊接残余应力对结构的影响 焊接是一个结构局部加热、冷却的过程，因此，焊接件在未进行相应后处理的情 况下都存在残余应力。当结构在服役过程中，外载和焊接残余应力发生叠加，从而导 致残余应力的重新分布和结构的二次变形，影响结构的使用质量和结构尺寸，如果焊 接件的工作在比较恶劣的环境下，如较高工作温度，充斥腐蚀介质的环境，残余应力 将会严重影响结构的疲劳强度等。可以说对于大部分的焊接结构，焊接残余应力和变 形是影响结构的疲劳强度，断裂强度和结构稳定的重要因素，研究表明焊接残余应力 的存在大大降低了焊缝位置材料的有效比例极限，从而降低结构的使用时间。随着工 业的迅速发展，对焊接件的质量提出了更高的要求，其中有点就是焊接接头具有更高 的可靠性。因此，研究焊接残余应力在结构中的分布规律和大小对于提高结构质量来 说是必要的。焊接残余应力对结构的影响主要体现在下面几点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 1 对构件刚度的影响 刚度是衡量构件抵抗变形的能力，在所受载荷没有超过材料的屈服强度情况下， 刚度为载荷和位移的正比例系数，即构件发生单位位移所需要的力。焊接残余应力对 结构刚度的影响可以分为两种情况进行分析，即存在结构中的焊接残余拉应力是否超 过材料的屈服极限。一、如果受拉构件中存在超过材料屈服极限的焊接残余拉应力， 存在残余拉应力的区域无法继续承载，结构内部承受外载荷的有效面积就会减少，从 而导致整个结构的刚度下降；二、结构中的残余应力不超过材料的屈服极限，在经过 一次加载和卸载后，如果后面的施加的载荷大小不超过前一次，那么残余应力对刚度 的变化就不再起作用，同时外载对残余应力的分布情况也不发生影响【1 8 1 。这种情况只 适合于结构所受载荷为静载。残余应力的对结构刚度的影响程度取决于在受载的界面 上受到残余拉应力区域的面积大小，这部分的面积越大，对结构刚度的影响就越大。 2 1 2 对构件静强度的影响 大部分结构件的焊接残余应力分布规律是在焊缝及其附近区域存在拉应力，在较 远的区域受到的是压应力。当结构件的工作载荷是拉应力的的时候，此工作载荷就与 残余应力叠加，随着工作载荷的不断增加，结构中的残余压应力逐渐变小，直到转变 成拉应力，而结构中的残余拉应力由于和工作载荷一直不断叠加增大，出现结构中的 拉应力大于实际的工作载荷，从而影响构件的强度。当结构件的残余应力不是三向拉 伸状态，而且不是工作在低温环境，材料又具有足够的塑性，那么焊接残余应力对结 构的静强度影响较小。这是因为构件受到拉应力的工作在载荷时，残余拉应力和工作 载荷步断叠加，工作载荷还没达到材料的屈服极限，而实际结构件中的拉应力已经超 过材料的屈服强度，从而在结构的内部出现局部的塑性变形，当材料具有足够的塑性 时，如中低碳钢、铝合金、钛合金等一些具有较好塑性的材料，结构中的拉应力不会 再继续增加，而对于受压应力区域的应力不断增加直到数值到达材料的屈服强度，这 时整个截面上的应力变得均匀【2 。因此，焊接残余应力对于这种情况的结构静强度没 有影响。但是当结构件的是工作在低温环境或者结构中的焊接残余应力是属于三向受 拉状态时，即使材料具有足够的塑性，焊接残余应力会降低结构的静强度。如果结构 件的材料属于脆性材料，如高强钢、铸铁等材料，在拉伸状态的工作载荷作用下，由 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 于材料无法进行塑性变形，结构内部的焊接残余拉应力不断和工作载荷叠加，应力在 截面上不能进行均匀化，当拉应力超过材料的抗拉强度时，就会在结构内部发生局部 的破坏，使得整个结构的承载能力降低。因此，只有在结构件服役环境较好，内部的 残余应力不存在三向拉伸，且具有足够的塑性形的情况下，焊接残余应力对结构的静 强度没有影响。 2 1 3 对构件疲劳强度的影响 疲劳强度的定义是金属材料在交变载荷的无限次作用下而不发生破坏的最大应力 【2 1 1 。在生产生活中，大部分的结构受到的载荷往往交变的。因此，疲劳强度在结构设 计过程中是一个不可忽视的因素，可以说疲劳强度大小决定着结构的服役时间。焊接 残余应力对结构疲劳强度有着怎样的影响是很多设计者和使用者所关心的。针对这一 问题，很多学者做了大量的研究试验，这些试验方法往往是将有焊接残余应力的试样 和经过热处理消除应力的试样做疲劳试验，然后分析两种试样的结果，从而得到残余 应力对疲劳强度的影响。由于在对焊接试验做热处理时，试样又经过一次加热，材料 的性能也发生了变化，因此，对于试验的结果有不同的分析结论。虽然对于这种方法 得到的结果存在不同的解释，但是有一个观点被大部分人所认同，即结受交变载荷的 构中存在残余压应力时，结构的疲劳强度会提高，存在残余拉应力的话，则结构的疲 劳强度就降低【2 。焊接残余应力对疲劳强度的影响往往和结构的服役环境、结构材料 的性能、残余应力的大小和分布、外载的作用状态等因素相关。为进一步的了解焊接 残余应力对疲劳强度的影响，研究人员对试验进行改进，减小其他因素对试验结果的 影响，如不采用热处理消除焊接试样的残余应力应力，从而减小材料变化对试验结果 的影响。通过不同的试验分析得出焊接内应力对疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循 环特征系数( 最小应力值和最大应力值的比值) 有关【1 8 】。应力循环特征系数越小，焊接残 余应力对疲劳的影响就越大。 2 1 4 对机械加工精度的影响 焊接残余应力是存在结构内部且自平衡的力。在对焊接件进行机械加工处理的时 候，往往要将结构中一部分材料切除，这样一来就破坏了残余应力的平衡，使得应力 产生释放，引起结构发生变形，从而影响加工的精度。如果在加工之前没有对焊接件 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 进行消除应力处理，在机械加工的过程中，残余应力平衡破坏产生的变形被夹具夹持 没有体现出来，一旦松开夹具整个构件的变形就表现出来，可能导致构件加工的不合 格，从而增加加工成本。残余应力在结构中是否长期稳定的也会影响加工精度。一旦 焊接残余应力不能长期稳定的话，对一些加工精度要求高的构件在使用一段时间后， 随着残余应力的不断释放，产生二次变形，导致构件无法使用。因此，对尺寸精度要 求高的焊接件，在焊接完成后应该先进行热处理消除残余应力再进行机械加工，从而 保证结构在使用中不会因为焊接残余应力的释放产生的变形影响结构尺寸。 2 1 5 对构件应力腐蚀开裂的影响 结构工作在带有腐蚀介质的环境里，在应力和腐蚀介质的共同作用下容易产生裂 纹，这一现象称为应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂一般经历三个阶段：形成腐蚀裂纹、 在腐蚀介质和应力的作用下，裂纹扩展、裂纹扩展超过临界值发生断裂【1 8 】。经研究发 现发生应力腐蚀开裂和应力的大小有关，相同材料和工作环境下，应力越大越容易发 生应力腐蚀开裂。这里说的应力不仅是工作应力，也包括焊接残余应力，两者的作用 效果基本是一样的，可以说没有工作应力下但存在焊接参与应力，在腐蚀环境中也会 出现应力腐蚀开裂。焊接残余应力的存在会导致结构在规定使用年限内发生应力腐蚀 开裂，使得结构提前报废。因此，为保证在腐蚀环境服役结构的使用寿命，对焊接结 构应进行消除残余应力处理。 2 2 焊接残余应力的分析理论 目前分析焊接残余应力的理论有固有应变法、热弹塑性分析法、粘弹塑性分析法 等。其中热弹塑性分析法是通过跟踪整个焊接热循环中每一步的热应变行为来计算热 应力【5 1 1 。该方法往往需要采用有限元法在计算机上实现。随着计算机的发展，计算能 力大幅度提高，为分析复杂结构的残余应力提供了硬件基础。热弹塑性分析在对焊接 应力场分析中广泛使用。 焊接热弹塑性分析包括如下四个基本关系【6 拇朋 5 1 】： 1 ) 应变位移关系( 相容性关系) 2 ) 应力应变关系( 本构关系) 3 ) 平衡条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 4 ) 相应的边界条件 在热弹塑性分析时有一些假设：塑性区内的行为服从流变法则并显示出应变硬化； 材料的屈服服从米赛斯屈服准则；与温度有关的机械性能、应力应变在微小的时间增 量内线性变化【6 1 。 1 应力应变关系 材料处于弹性或塑性状态的应力应变关系为【卅 d 仃= d j s c d 丁 2 1 式中：d 为弹性或弹塑性矩阵；c 为与温度有关的向量。 在弹性区：d = d e c = e 叫口+ 等仃) 2 2 式中口为线膨胀系数；t 为温度 在塑性区，设材料屈服条件为： 厂( 盯) = 厶( 占p ，丁) 2 3 式中：f 为屈服函数，厶为于温度和塑性应变有关的屈服应力的函数。根据塑性流 动法则，塑性应变增量如口可以表示为： 呜= 磋 2 4 此时，。= = 见一见岳岳见s 2 5 c = 咄( 口+ 等小见等等s 2 6 s = 等见岳嚼岳 2 7 塑性区的卸载由入值判别，入 o 时为卸载过程。 2 平衡方程 考虑结构的某一单元，有如下平衡方程： d f 。+ 积8 = k 。d 万8 2 8 式中：扭。为单元节点上力的增量；积8 为温度引起的单元初应变等效节点力增量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 彩8 为节点位移增量，k 。为单元刚度矩阵 k e = l b t d b d y 2 - 9 积。= p r 甜豫y 2 l o 式中：b 为联系单元中应变向量与节点位移向量的矩阵。根据单元处于弹性或塑 性区，分别用见、e 或d 印、代替上式中的d 、c ，形成单元刚度矩阵和等效节点 载荷，然后集成总刚度矩阵k 总载荷向量扭，求得整个构件的平衡方程组： 尉仃= 担 2 1 1 其中，k = k 。；卵= ( 扭8 + 积8 ) 。考虑到焊接过程一般无外力作用，环绕 每个节点的单元相应节点的力是自相平衡的力系，即可取扭8 = o ，故有 护= 积。a 3 求解过程 热弹塑性应力有限元分析的求解过程是：首先把构件划分成有限个单元，然后逐 步加上温度增量( 焊接时的温度场预先算出) 。每次温度增量加上后，由上式( 2 1 1 ) 可求得各节点的位移增量d j 。每个单元内的应变增量如。和单元节点位移增量彩8 的 关系为： d s e = b d 6 e 2 、2 再根据式( 2 1 ) 的应力应变关系，可以求得各单元的应力增量d 仃。这样就可以 了解整个焊接过程中动态应力应变的变化过程和最终的残余应力和变形的状态。 2 3 焊接残余应力的测量 焊接作为机械生产中的重要手段，它具有其他加工方式所不具有的优势，但是焊 接带来的不利影响也不容忽视。随着人们对结构质量的要求不断提高，焊接残余应力 对结构的不利影响越来越受重视。从结构的设计到生产，人们都在不断的设法减小甚 至消除焊接残余应力。在采取控制焊接残余应力的措施之前，只有先了解不同接头形 式、不同结构中残余应力的大小和分布规律，才能使针对残余应力的措施获得更好的 实际效果。研究焊接残余应力的大小和分布规律的方法中，最直接的方法就是采用测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 试实验，对焊接结构进行测量。下图是几种测量焊接残余应力的方法： 焊接残余应力 测量方法 ( 物理方祛) 一压痕法裂纹法( 与小孔法原理相洒 l 射线法( 用于表面应力 昊吐t ) j 电磁性( 适用于铁磁材料表面测量) j 开裂判定法( 氢致，腐蚀开裂定性估冽) l 超声法( 尚处于实验塞阶段) i 中子辐照法( 大厚度内部测量，尚处于研究阶段) 图2 一l 焊接残余应力的测量方法 焊接残余应力的测试实验可以分为两大类：破坏性试验和非破坏性试验。破坏性 方法有成为“机械法 ，非破坏性方法又称为“物理法。破坏性试验是对焊接结构进 行局部破坏，打破结构中的焊接残余应力平衡，使得残余应力释放出来，通过测试破 坏位置边上的变形量，然后应用弹性力学理论得出残余应力值【1 8 】。切条法、小孔法等 就是属于这类试验。材料中的某些性能会因受到应力的影响发生变化，非破坏性试验 就是通过测取这类材料性能变化的数据，从而获得结构中的残余应力。这类实验有x 射线测试、电磁性测试法等。小孔法和x 射线衍射法在实际工程中使用较为广泛，下 面介绍下两种方法的原理。 小孔法【2 3 】属于破坏性试验中的一种，其基本原理为在焊接残余应力场中钻小孔， 打破残余应力的平衡，小孔中心应力将被释放，测得小孔附近的弹性应变增量，再用 弹性力学的相关理论计算出小孔处的残余应力。小孔法一般用于测试具有二维应力的 结构，当钻孔的深度达到孔径的1 2 倍，即认为应力释放完全。小孔法中使用的钻头的 n 直径是通过应变花中心圆圈直径确定的，它们之间的关系为2 5 善 3 4 ，其中d 为 应变花中心圆直径，d 0 为钻头的直径。在贴应变片的时候，两孔之间距离要大于1 5 倍钻头直径。在公式中的应变释放系数往往是通过实验来测定，对于常用的材料如低 碳钢等，可以引用标准上的数值，但为保证测定的结果尽量用结构材料进行标定。小 孔法是机械法中破坏性最小的，并在使用中有相关的国家标准为参考，试验成本较低， 避 布 混 分)力，度件 应面厚构面表s 呈面 表件力截，板厚应杂斛博肝殉鳆 板申适量板 薄于a 溅厚合用法0 (适多槽=!法 (0形悸削张雅蛳端雕切小套套逐 一 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 操作简单，测试结果也较为精确。因此，在对焊接残余应力的测量试验中，小孔法被 大量使用。 x 射线衍射法属于无损测试中的一种，被广泛的使用于测量不透明材料或脆性材 料残余应力。x 射线衍射测残余应力利用晶体内部的晶面之间距离会因为受应力的影 响发生变化，而且距离的变化和所受应力的大小成正比这一原理实现对结构残余应力 的测试。应用x 射线衍射法测焊接残余应力的最大优点就是不用破坏结构，缺点是只 能测量表面应力，而且对测试表面要求较高，往往要用电解抛光去除表层，从而避免 局部塑性变形引起测试结果的误差，测试所需的设备也较为昂贵，测试的成本较高， 不适合该技术的推广。 焊接残余应力对结构的影响越来越突出，研究其分布规律成了焊接研究工作者的重 要课题。做为研究焊接残余应力的重要手段之一，现有的实验测试方法往往有各自的 适用范围和局限性，发展更新的测试方法迫在眉睫，其中无损测试更为重要。因此， 经过长时间的发展有出现了几种新的测试方法，如中子衍射法、超声波法和磁致伸缩 法等，中子衍射法比x 射线衍射法的穿透性更强，可以测量构件内部的应力。这几种 方法都还处在研究发展阶段，一些理论还不够成熟，不能大量的使用在实际生产中， 但是相信不久的将来这些技术将会被广泛应用。 2 4 焊接残余应力的控制与消除 焊接残余应力的存在影响着结构的使用质量，控制和消除焊接残余应力往往能提 高结构的服役时间和可靠性。经过大量的生产实践，人们提出了许多控制和消除焊接 残余应力的措施。对于焊接残余应力的控制措施一般是在焊接生产过程中，而消除措 施一般是对焊接件进行后处理。控制焊接残余应力措施有以下几种： ( 1 ) 采用合理的焊接顺序和方向 在安排焊接顺序时，遵循几个原则：尽量使焊缝能够自由收缩，先焊收缩量大的 焊缝；多条焊接在工作时承受载荷，先焊受力大的焊缝；在焊接拼板时，先对错开的 短焊缝进行焊接，再焊通直焊缝【2 2 】。实践证明通过这几个原则安排焊接顺序，焊接件 的使用质量有相应的提高。 ( 2 ) 对结构局部位置加热 在焊接之间对结构的局部位置进行加热，使得加热区域伸长，产生一段与焊缝收 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 缩方向相反的变形，在焊接冷却时，焊缝的收缩方向刚好和加热区域的收缩方向一致， 从而降低焊接残余应力。 消除焊接残余应力的措施常用的有以下几种： ( a ) 整体高温回火 焊接完成后，将整个结构件加热到一定温度，然后在这个温度下保温一段时间， 再冷却。整体高温回火对焊接残余应力的消除效果取决于加热的温度和材料的成分、 组织，对于同一种材料，加热温度越高，保温的时间越长，对残余应力的消除效果越 明显。采用整体高温回火一般都能使得结构中的焊接残余应力完全消除，但是采用这 种方法的成本较高，当结构尺寸较大时，处理的难度就大大增加。如果加热的温度达 到了材料某组织转变的温度，那么冷却下来后，虽然消除了焊接残余应力，但是同时 产生了其他的内应力。因此，对于结构消应力处理是否采用整体高温回火，应该多方 面进行考虑，再做决定。 ( b ) 局部高温回火 对于尺寸较大又必须做消应力处理的结构可以采用局部高温回火处理。焊接完成 后，对焊缝位置及其附近的局部区域进行加热，使得焊缝位置的应力峰值降低。这个 方法有局限性只能运用于简单的接头形式，而且效果不如整体高温回火处理，不能完 全消除残余应力，只能降低峰值【2 l 】。这种方法的消除效果和加热区的大小有关，为保 证处理效果，应该保证加热区域的宽度。对于复杂结构，如果采用局部高温回火，可 能会出现更大的内应力。 ( c ) 振动法 振动法【2 4 1 是最近几年发展起来的消除残余应力方法。这种方法有着自己独特的优 点：使用设备简单，对结构件进行处理的费用低，处理时间短，效果可以满足生产的 要求。因此，振动法消应力被广泛的应用到各个生产领域里。其原理是通过激振器对 结构件施加一个低于材料共振频率的交变载荷，使得材料发生内部发生塑性变形，从 而导致残余应力发生松弛，降低或消除残余应力【2 5 1 。振动法对于稳定结构尺寸有较大 的效果，但是同时也存在问题，振动法是通过施加交变载荷使得残余应力松弛，同时 也可能降低结构的疲劳强度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章材料数据库建立 材料是现代科学发展和国民经济发展的重要支柱，社会文明的发展往往离不开材 料的发展。人类发展到现在所发现、开发的材料种类数不胜数，材料的信息和性能不 尽相同，如果没有对材料的信息加以整理、存储，对材料的运用产生了极大的困难。 因此，出现了材料数据库。材料数据库记录着大量的材料信息和性能数据，并对这些 信息加以处理提供查询，是材料开发和应用的重要依据，同时对现代的工业生产、机 械制造发挥着重要作用。 材料数据库种类繁多，根据数据的来源可以分为手册类数据库和试验类数据库【2 引。 材料手册主要是由一些权威机构对生活、生产的材料信息性能进行编辑出版，如国内 的工程材料实用手册、中国航空材料手册，大部分公布的数据库都属于这一类。这类 数据和实际生产中使用材料的性能有所区别，但可以为设计提供参考。试验类数据的 主要来源是材料生产或者材料研究过程的实验，这类数据往往更接近于实际实用的材 料性能，但是数据所用的成本较高，因此，此类数据一般只在公司企业或实验室内实 用很少公开。 焊接数值模拟是利用理论公式结合边界条件、材料性能参数等因素对焊接过程的 各种现象进行模拟。模拟过程引用的材料参数是否准确直接影响计算结果的可靠性。 因此，在进行焊接模拟之前，必须建立相应的材料性能数据库，方便计算时方便程序 调用。焊接模拟的材料数据库包应含材料的热物理性能数据和力学性能数据两大部分。 焊接过程是一个把材料加热到熔化甚至汽化然后冷却凝固的过程。为保证准确反应各 阶段下材料的特性，在计算过程中需要各种温度下的材料性能参数。用于计算的材料 性能数据和实际材料越相似，计算得到的结果就越接近实际情况。为获得准确的材料 性能数据，往往是通过实验来获得。常温下的测试实验成本较低，容易实现，为保证 和实际材料一致，可通过相关实验来获得常温下的材料性能参数，有时候常温下的材 料性能参数也可以通过查询相关的材料手册或标准来获得。但是材料高温下的性能参 数实验测试的成本较为昂贵，应用广泛的材料这方面的数据都不容易查找。对于较为 新型的材料这方面的数据基本是空白的。材料在高温下的性能数据对焊接模拟结果的 影响大于常温下的数据，特别是在材料熔点附近的性能参数对于模拟结果的影响最大。 考虑高温测试实验成本，并且本文所需材料的性能数据较多，因此，本文中所需要的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 材料性能参数通过常温实验、查找材料手册和相关文献、材料计算软件j m a t p r 0 4 1 计 算等方式获得。 3 1 删a t p r o 软件介绍 j m a t p r 0 4 1 是一款由英国的1 1 1 e n i l o t e c h 公司开发的功能强大的金属材料相图计算 和材料性能模拟软件，可以用来计算金属材料的多相平衡和多种性能，被广泛的运用 到航天航空、机械制造、合金开发等领域。它是一个基于材料类型的软件，不同的材 料类型有不同的模块【2 7 1 。现在提供的材料模块有铝合金、镁合金、铸铁、通用钢、不 锈钢、镍基合金、钛合金、锆合金等。j m a t p r 0 4 1 可以对某一特定材料进行稳态与亚 稳态的相平衡计算、热物理及物理性能计算、机械性能计算、凝固性能计算、相转变 计算【3 3 】。在相平衡计算中可以分析单个或多个成分对相平衡的影响，可以计算按照温 度变化或者按照成分变化的相平衡。在热物理及物理性能计算中可以得到不同温度下 的热物理及物理性能参数，如杨氏模量、剪切模量、体积模量、泊松比、导热系数、 热膨胀系数、密度、比热容、线性膨胀、焓等。在机械性能计算中可以得到材料的硬 度、屈服强度、抗拉强度随晶粒尺寸变化曲线，高温强度随温度变化曲线、蠕变曲线、 断裂寿命曲线、应力应变曲线( 真应力、工程应力) 等。凝固性能计算用来模拟铸造， 相转变获得c c t 或t t t 曲线，进行金属热处理计算。j m a t p r 0 4 1 软件具有以下特点： 该软件的操作界面简洁，每个模块都有自己相应的计算界面，操作者只要输入计算需 要的参数，软件就会自动计算。对于计算结果，软件提供多种处理方式如绘制曲线、 查看原始数据等等；计算速