焊接应力产生及测量.doc

焊接应力产生及测量1、焊接残余应力的概念传统的焊接技术是指金属间的焊接，其工艺方法一般是通过局部加热或加压、添加或不添加填充材料将金属构件不可拆除地连接在一起或在母材表面堆焊覆盖层。随着焊接技术的发展和各种新材料的不断出现及应用，现今焊接的概念早已不再局限于金属间的焊接，而是通过适当的方法，使两个分离的固体产生原子、分子晶间结合，形成焊接接头的一种连接方法。它可以是同种金属或是异种金属间的结合，也可以是非金属、金属与非金属间的各种连接。焊接结构件虽具有诸多优点，但是还存在焊接件易变形，焊接接头易失效、焊缝处易存在焊接缺陷以及焊缝及其附近区域存在残余应力等问题，其中，焊接残余应力是影响焊接质量的重要因素之一。焊接件内部残余应力的大小及分布对焊接件的尺寸精度、安全使用以及使用寿命等有着极大的影响。因此，对焊接残余应力的研究一直是许多学者关注的焦点。钢材焊接时，由于高度集中的瞬时热输入，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处可达1500以上，高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约束，从而在焊件内引起较高的热应力，在焊接过程中随时间和温度而不断变化，最终形成焊接应力。焊接应力一旦超过钢材屈服强度，就会使其发生塑性变形。将钢材焊接后（即冷却后）残存于焊件内的应力，称之为焊接残余应力。而在焊接过程中产生的残余应力，称之为焊接瞬时应力。这两类应力不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，使焊缝特别是定位焊缝部分完全断裂，还将引起构件失稳、变形，强度变低。而且在一定条件下将严重影响焊接的强度、刚度、尺寸等。对于焊接残余应力的控制与消除，往往需要花许多工时去操作，而比较复杂的焊接残余应力，控制与消除的工作量可能比焊接的工作量还要大，甚至有时工艺操作不当，造成废品。目前，常用的减小、调整和消除焊接残余应力的方法有，采用合理的焊接顺序和方向，锤击或辗压焊缝，整体或局部高温回火处理，机械拉伸法，温差拉伸法振动法以及爆炸法等。2、焊接残余应力的产生原因及其分布方式焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起。在实际情况下其产生的过程是相当复杂的，焊后残余应力的大小与分布因焊接构件的形状、尺寸、焊接方法等的不同而不同。焊接应力按其发生源来区分，其产生原因及过程关系有下列三种情况：焊接热应力，这是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。焊接过程中，焊接热源是移动的，对金属构件进行局部的不均匀加热和冷却，在材料内某些部分就会存在温度梯度。焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成热应力，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。结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。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。间接应力，这是由焊前加工状况所造成的。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。由于焊接前焊接材料所处的状态不同，不均匀的作用力及构件内部组织的浓度差或晶粒的位向差等，使各部分显示的不同的屈服行为，而引起构件的不均匀变形产生了这种应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。相变应力，这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异，但一般情况下，这种影响以发生相变的温度和平均冷却速度来进行考虑。焊接冷却过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。对于焊接后焊接残余应力的情况可以运用以下的经验法则进行判别，构件最后冷却的区域以热应力为主时，呈现焊接拉伸应力，而以相变应力为主时，呈现焊接压应力。3、焊接残余应力的影响因素随着工业技术的发展，焊接工艺也发展出众多不同方法，并且由于焊接过程本身就是一个复杂过程，这就使得在不同的焊接方法及不同的焊接环境下，所产生的焊接残余应力就会有所不同，甚至，在相同的工艺下，所产生的应力都有所差别。影响焊接后构件内部残余应力的类型及分布的主要因素有以下几点：焊接前焊板内预先存在的应力，这些应力主要由焊接之前结构件所经历的加工工艺决定，如板材的轧制，管材的挤压，结构件的机加工等等；焊材及母材的各种性能，如成分、组织、热物理和力学性能等；焊接时被焊件的形状和在焊接件上所施加的约束，如对于板材焊接，板材的大小，板材的薄厚以及板两端是否是自由端，都将对最终的焊接残余应力有影响。焊接工艺，焊接工艺对最终残余应力的分布有着极大的影响，这主要表现在焊接方法、焊接前的预处理、焊接时的环境和多道焊时的焊接顺序；焊接后的处理，如有些焊接件在焊后进行的机加工或热处理，都将对焊接件内部的最终残余应力有影响。4、焊接残余应力的研究方法目前，对焊接残余应力的研究主要采用两种方法，一种是通过实际测量的方法来获得焊接残余应力的大小及分布，另一种是利用数值计算的方法对焊接残余应力进行模拟计算。 残余应力的测量方法研究物体内部残余应力，通常情况下，首先要解决的问题如何测量残余应力。从20世纪30年代开始发展至今，残余应力测试技术出现了许多方法。在初期，研究者所使用的方法主要是破坏性较大的机械测量法。40年代中期以来，由于电阻应变计(片)的发明，电测法有了很大的发展，它与机械法配合使用，大大降低了机械测量法对构件的破坏性。目前，测量残余应力的方法按其对结构体是否有破坏，有全破坏法、半破坏法和无损法等几种；按其测试原理，可分为机械测定法和物理测定法。机械测量方法主要包括截条法、逐层剥层法、Gunnert切铣环槽法、盲孔法、钻阶梯孔法、套取芯棒法和内孔直接贴片法等；物理测量方法主要有X射线衍射法、中子衍射法、磁测法、超声波法和固有应变法等。X射线法是一种通过测定晶格应变，然后再通过应变、应力间的关系来测定残余应力的方法。机械测定法通常是通过应力释放的方法测量残余应力，因此无论是何种机械测量法都要或多或少的对构件产生一定的损害并引入一定的附加应力。在这些测量方法中，相对于机械法来说，X射线衍射法在表面残余应力的测量中得到了广泛的应用，这主要是因为X射线法不会对构件产生破坏，也不会引入额外的附加应力。但是，由于X射线的穿透深度有限，通常对钢材仅有几个微米的穿透深度，大大限制了在较厚构件中的应用。为了将X射线法应用到更深层残余应力的测量，许多研究者对构件的表面进行了不同处理，如车削、磨削以及电化学腐蚀剥层等。其中电化学腐蚀剥层，因不会引入附加应力，成为一种较理想的处理方法。实验测试焊接残余应力的方法较多，大体可以分为破坏性和非破坏性两类，破坏性测定方法精度较高，但存在损伤构件的缺点，如应力松弛法、裂纹的方法等。目前及今后的研究重点已越来越趋向于焊接结构的非破坏性检测如X射线衍射法、超声探测法及一些基于应力敏感性的测试方法，但这种方法如今面临的问题是测试结果的精确度大大依赖于侧试环境的好坏，造成精度偏低，降低实验数据的可信度。应力松弛法的原理是将试件切割成块或从整体上切下一部分，由因此而释放的弹性应变来测定残余应力，大多情况是由机械应变仪来测定应变的释放量，切割试件的方法由研究对象的不同而各异，应力松弛法其固有特点就是其破坏性，但其能定量而相对准确的测定试件中残余应力的数值，使其成为工程界广泛采用的实用测试方法。X射线衍射法可以在较小范围内测定工件的表面应变，其原理是确定其内部金属晶格的参数变化来确定弹性应变，但在高温下如金属结构原子发生畸变，则会大大破坏试验的准确性，且其操作过程耗时较长，使其应用受到较大限制。另外一些基于应力敏感性的测试方法如超声波方法则是由光弹性的原理来实现。 焊接温度场数值模拟的国外研究现状焊接是一个局部快速加热到高温，并随之快速冷却的过程，在这一过程中包含了许多物理现象，如焊接时的电磁、传热、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接传热问题是研究焊接过程的基础，因为焊接温度场直接决定了焊接应力场和应变场，并与焊接过程的熔化、结晶、相变过程有着不可分割的联系。因此，对于焊接残余应力的数值模拟首先要做的就是对焊接温度场进行模拟。焊接传热的主要特点表现在以下四个方面：1）焊接传热过程是局部的，即焊接时对工件的加热不是整体的，只是热源直接作用下的附近区域，加热极不均匀；2）焊接过程具有瞬时性，在高度集中的热源作用下，加热速度极快（在电弧焊情况下，可达1500/s以上），即在很短的时间内把大量热源传递给焊件；3）焊接传热过程中，热源的不断运动导致工件的受热区域不断变化，这就使得传热过程不稳定；4）熔池中的液体进行着强烈运动及一系列的物理化学反应，这就意味着，在熔池内部传热过程以流体对流为主，在熔池外部的基体区，传热以固体导热为主，并且在工件表面上还存在有辐射换热和空气的对流换热。1、钻孔法测定焊接残余应力的原理简述残余应力产生的原因极为复杂，人们还无法从理论上对其进行精确的分析和计算，因而试验方法是其最为重要的研究手段。目前，测试残余应力分为物理方法和机械方法两大类。前者包括X射线法、超声波法和磁弹性法等等。其特点是无损和设备复杂，操作上水平要求较高。机械法又称应力释放法。其原理为:逐次切割、套孔和钻小孔，将构件内残余应力全部或部分释放，然后采用电阻应变测量技术测得释放应变，继而根据弹性力学原理求得初始残余应力。机械方法中钻孔法(包括钻通孔和钻盲孔两种)最为常见，具有设备简单、操作方便、易于携带、精度较好和构件破坏性小特点。钻孔法的具体测试原理如下：假设一各向同性材料的构件某一局部残余应力处于均匀的二维状态，其表面残余应力是双向的，分别为、，如下图所示。在此局部开一小孔，并通过以孔为中心布置的应变花得到开孔后的释放应变、，则根据弹性力学平面应力理论得到主应力和方向角公式：上式中，为残余应力最大主应力(代数值)方向与1号应变片参考轴之间的夹角，顺时针取向。A和B被称为释放系数，与孔径