【《焊接残余应力研究的文献综述》5100字】

焊接残余应力研究的文献综述1.1引言 我国目前焊接工艺已经在诸多产业中扮演不可或缺的角色，焊接技术目前正在被桥梁船舶制造、机械生产、化学化工、汽车制造、机器人技术等精密制造的工业领域广泛应用。对待外形形状相对复杂的零件或设备装置成型中，焊接方法是其中最具有实用性并且最常见的成型方法，具有操作简单、使用寿命长、操作简单、成型牢固的优点。尽管如此，该种方法任由很多问题需要我们克服，其中最为普遍和严重的就是焊接过程中产生的残余应力，严重影响着焊接产品的寿命和牢固性，但通过观察焊接残余应力形成的条件，我们不难发现，通过解决焊接过程中形成的压缩变形就可以消除焊接残余应力的产生。Mg、Al焊接是目前研究的热门，目前的技术无论采用熔焊还是固相焊或是加入中间层或是使用多种复合热源，都不可能完全避免脆性金属间化合物的生成，只能通过调整金属间化合物的形态与分布来改善焊接接头的性能。焊接是通过高温或加压或两者并用，用或不用填充材料，使两部分材料在原子层面结合的一种加工方法。由于在加工过程中所需的高温和压力，会造成零件在焊接过程中偏向加工的一侧局部加热，所以会在零件中形成温度差，在结构设计和制造过程中，必然会产生残余应力并造成焊接变形。残余应力的存在会影响零件的强度、韧度、脆性等性质，可能会导致应力开裂、脆性断裂甚至影响既定的工艺流程。而焊件由于局部受热而引起的温度差会引起热应变改变显微组织从而改变残余应力的分布，从而影响焊件的稳定性和使用寿命，严重的甚至直接影响焊接过程的成功与否。应力导致应变，焊接变形是由焊接应力引起的，因此，考虑焊接残余应力对于焊接过程来说至关重要ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>!!!INVALIDCITATION!!!</Author><RecNum>0</RecNum><record><dates><year>!!!INVALIDCITATION!!!</year></dates></record></Cite><Cite><Author>王者昌</Author><Year>2006</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vr5f225fqd5adyepvwbxdvdhffxre0xp229s">20</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>王者昌</author></authors></contributors><titles><title>关于焊接应力应变问题的再探讨</title><secondary-title>焊接学报</secondary-title></titles><periodical><full-title>焊接学报</full-title></periodical><pages>108-112</pages><volume>27</volume><number>8</number><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>王者昌</Author><Year>2006</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vr5f225fqd5adyepvwbxdvdhffxre0xp229s">20</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>王者昌</author></authors></contributors><titles><title>关于焊接应力应变问题的再探讨</title><secondary-title>焊接学报</secondary-title></titles><periodical><full-title>焊接学报</full-title></periodical><pages>108-112</pages><volume>27</volume><number>8</number><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>王者昌</Author><Year>2006</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vr5f225fqd5adyepvwbxdvdhffxre0xp229s">20</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>王者昌</author></authors></contributors><titles><title>关于焊接应力应变问题的再探讨</title><secondary-title>焊接学报</secondary-title></titles><periodical><full-title>焊接学报</full-title></periodical><pages>108-112</pages><volume>27</volume><number>8</number><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>。焊接数值模拟针对焊接热过程、焊接应力和变形等问题，在给定的边界条件和初始条件下建立适当的数学模型和力学模型，求解特定的微分方程组。焊接数值模拟在优化结构设计、提高焊接接头质量、改善焊接结构的性能和可靠性、预测焊接结构的使用寿命等方面有着重要作用。由于在焊接和焊后热处理过程中加热受影响区（HAZ）开裂，其在沉淀强化镍基合金修复中的应用受到很大限制[4]。并且由于用于镍基合金的熔融焊接金属的流动性差，传统的焊接方法例如是TIG在获得良好的渗透方面很困难[5]。电子束焊接（EBW）被认为是最有吸引力的焊接技术之一，因为其受热区域的热量较小，污染较少，穿透深度较高[6,7]。由于制造业对于材料的焊接成型的成型质量要求越来越高，数值模拟技术（焊接中产生的热应力、残余应力）一步步走进了大家的视野，引起了行业内的关注和重视，有限元分析由此诞生。焊接过程中各种物理量的变化并非线性分布，是一个复杂的耦合问题，涉及到冶金、热力学、传导学等各个方面。因此在数值模拟的过程中往往很难在一个模型中考虑包含所有的因素，往往最终局限于二维平面问题。但随着有限元分析的逐渐发展，模型分析终于突破二维限制三位空间的问题得到了解决。因此有限元分析在提升焊接接头强度、优化焊接结构的可靠性等方面发挥关键作用，已经成为了领域发展的方向。Mg合金和Al合金都具有良好的加工性能，两者的应用具有普遍性和互补性.电子束焊、钨极氩弧焊、钎焊、激光焊，其中电子束焊具有相当大的优势，因为这种方法穿透深度高、受热区热量低。1.2焊接残余应力的产生焊接应力，是焊件在焊接时伴随着焊接过程中的相对的变化应力、热力加工、塑造产生的应力而产生的，并通过冷却加工以后仍然不能消除的应力的结果。焊接残余应力在中大规模的焊接工程中扮演着十分重要的角色，残余应力消除与否的直接影响到该部件的使用寿命，因此凡是焊接方向的研究都非常重视消除焊接残余应力的方法。焊接作业过程中焊接构件中产生的应力和在焊接热源作用下引起的焊件外形尺寸以及形状的变化。焊接应力产生的根本原因是焊接作业时，温度差以及温度差引起的局部塑性变形和比容不同。（如图1-）表为一些常用材料的热物理特性在给定温度下的平均值。由于焊接应力对于焊接结构的质量造成很多恶性影响，因此，对于焊接残余应力的消除、焊接残余应力的利用成为大家讨论的焦点，人们提出了很多消除或降低残余应力的方法，比如说通过锤子敲击焊接区域来控制，焊接结束后，对焊缝以及附近的区域进行锤击，使金属微观层面伸展，能有效的释放焊接残余应力。过载拉伸、爆炸处理、振动时效等方法消除应力运用的原理相同，统称为力学形变法。另一种方法是通过预热来控制，焊接构件的温度差越大，焊接残余应力越大，焊接作业前对焊件进行预热处理，减小温度差以减少焊接残余应力，这种方法一般被称为蠕变形变发。最后一种是加热加热减应区间法，对于妨碍焊接区域自由形变的部分进行加热，使其形变与焊接区同步，以达到消除应力的目的，具体情况如图1所示。由公式可知：材料的应力是由热应变、弹性应变、相变应变、蠕变应变组成的（公式1-1）图SEQ图\*ARABIC1-1焊接温度场、变形与焊接应力及显微组织的相互影响Fig.1-1Theinteractionbetweenweldingtemperaturefielddeformationandweldingstressandmicrostructure图1-2横向残余应力Fig.1-2horizontalweldingresidualstress1.3厚板焊接残余应力研究现状焊接工艺过程是通过急速加热后快速冷却达到的，存在着使母材产生不均匀应变应力，容易导致材料变形和开裂。残余应力在中厚焊的焊接中更为显着，比如用于制造船体的那些焊接作业。经过数十年的认证，大部分造船厂目前采用的是较为传统焊接方法通过涉及低的热输入（小于2kJ/mm）的多道焊。但是，为了改善生产率，提高生产效率，目前正在研究论证新的焊接方法，以改善疲劳性能来减少残余应力并。与传统的低输入多道焊不同这些技术大多数情况下使用具有超高热输的单次焊，尽管这种焊接方法提高生产效率，但这种方法还不成熟，并未在行业内大范围的使用。图1-3焊接过程中产生的气孔、纵向裂纹Fig.1-3Stomatallongitudinalcracksproducedduringwelding随着钢板的厚度的不断增加，在焊接应力的作用的下，容易产生纵向的裂纹，使中厚板的焊接难以完成。焊接残余应力及焊接温度场对焊接工程结构的韧性和抗疲劳强度方面影响非常大。所以，对于中厚板结构焊接的过程进行实验和分析是非常重要的。中厚板钢结构相较于薄板结构发展的受限的主要原因是焊由于并不能很好的消除接残余应力，与薄板相比厚板结构的焊接过程不同热源模型相差较大更加复杂，从而导致中厚板焊接发展受阻。国内外焊接领域对于中厚板焊接过程中产生的残余应力的研究相对并不成熟。熊建民、姜翠香、M.E.Karatal、Y-H.Kang等对于相关问题进行了研究。对两种不同焊接技术进行比较（多通和单通焊接）。在80毫米厚的铁氧体钢焊缝中产生的残余应力进行文件配置。因为此种工业过程的标本中的残余应力有待商榷，所以采用轮廓方法作为实际选择。结果表明，剩余应力分布对焊接过程的细节敏感，最大拉伸余力位于多通道焊接焊缝焊的焊缝和单通焊的热受影响区。但是，从轮廓法获得的结果仅在切割平面上有效。为了预测自由表面焊接标本深度的残余应力变化，扩展了逆向eigenstrain技术。基于eigenstrain的方法使我们能够评估准确估计大型工程结构残余应力所需的最小标本长度。该技术还允许预测全长标本中残留应力的正确程度，即使用于实验的标本较短。最后，对多通道标本进行多次切削轮廓测量，以比较纵向和横向的残余应力分布。中厚板的大型构件的焊接过程中，焊接残余应力随变形的变化曲线并不是呈线性分布的，具有非线性的特点。很多该领域捏的学者在厚板温度及应力场进行有限元分析方面研究①纵向残余应力②横向残余应力图1-4不同的厚度上的表面残余应力分布曲线Fig.1-4Surfaceresidualstressdistributioncurveondifferentthickness①焊缝附近②固定端附近图1-5焊缝和固定端附近纵向残余应力分布曲线图Fig.1-5Distributioncurveoflongitudinalresidualstressnearweldandfixedends①焊缝附近②固定端附近图1-6焊缝和固定端附近横向残余应力分布曲线Fig.1-6Transverseresidualstressdistributioncurvenearweldandfixedend图1-7为物体表层残余应力的分布曲线，图1-8为测量点的分布示意图，其中X方向表示横向，Y方向表示正向。通过观察图1-7可以看出在焊缝中心附近的区域，它的焊接纵向残余应力为拉应力，伴随着距离焊缝的中心区域的距离越来越远应力值逐渐减少，最终在临近达到母材区附近的区域表现出无应力状态。应力在距离焊缝中心距离大概20mm左右的地方达到最大值图7表层残余应力分布曲线Fig.7Surfaceresidualstressdistributioncurve图8表层测量点分布示意图Fig.8Distributiondiagramofsurfacemeasuringpoints1.4焊接数值模拟研究现状焊接成型过程的数值模拟是研究、焊接电弧行为、焊接热过程、焊接应力与变形、焊接熔池、焊接接头平面性能、焊接结构疲劳与脆断、焊接缺陷分析以及界面成型机里能问题的基础。通过利用计算机辅助技术对焊接现象进行数值模拟研究。可以通过模拟模拟研究解决实际实验和生产中的诸多问题和困难，对于实际焊接过程中的工艺优化，解决问题提供了一定的参考价值.通过目前对全世界范围内焊接领域有关焊接过程微观、宏观的数值模拟、数值仿真现状的分析，指出了该技术主要的发展方向，并提出了一些热点问题。焊接残余应力的应变数值分析研究主要包括：焊接残余应力与变形、焊接动态应力应变过程、控制与消除残余应力、拘束度与拘束应力等。这些研究都还仍处于完善发展阶段，并未投入到一线生产，目前还有许多工作需要挖掘研究。目前，我国该领域流行的有限元分析软件有ANSYS、ALGOR、ABAQUS、ADINA、MSC/NASTRAN等。焊接的残余应力应变计算机所模拟的使用的是热力耦合弹塑性有限元的模型,采用了热分析和静力分析相互之间的耦合的方法,计算了包括其中电弧焊、激光焊、电子约束焊、激光焊等各类高新技术在内的几乎全部焊接材料所能够获得的焊接结构残余应力的分布。目前计算机仿真模型方法已经逐渐被推广发展成为行业领域人们普遍认识和采用的不可忽视的数字化生产制造技术。从焊接的数值模拟发展至今,被广泛使用的热弹性有限元法。用热弹性有限元法来预测焊件的焊接残余应力和焊接变形,采用顺序耦合的方法,如图1-10所示。在其焊接的模仿计算过程当中，为了能够得到比较高的计算的精准度，通常我们都思虑了材料的其热物理的机能参数和机械机能参数所随着温度的变化而发生了变化，热的辐射当中，对流等的历程。热弹性的有限元的方法是比较来说精确的模拟了整个的焊接所经过的过程。，但是在其Ansys的软件当中划分的单元数量比较大，导致计算量也比较的大，尤其是在涉及到巨型焊接构造的计算过程当中，这些模型都需要其详细的了解热源几何形式，温度所依附的材料的特质和精准的尺寸该材料，大量不明的数降低了其所能依靠信赖[33]。这些模型由于实验结果的很大测量的误差。方法有时会受到限制，不过随着软件的整合，为了解决这些困难，许多学者都在追求着新的焊接模型，在保证计算精度的准确性的情况下，尽可能的减少了其计算量，缩小了计算过程中的所需要的时间。Mura[34]引入了结合精度的本征应变重建的方法高密度实验数据（例如来自轮廓测量）与弹性有限元模型。在近来的文献当中，开拓了很多新的方法以及包括焊接接头当中的疲劳的强度评价和估计当中的残余应力的反应。在其当中，根据残余切口的其应力的强度因子（R-NSIFs）计算的其局限方法好似非常有远景。比较惋惜的是，其要紧的缺陷与经过焊接历程的数值模仿与评价和估计这些参数的障碍有关，因为捕捉残余应力场奇点时所需要的高网格的密度。在这种的情镜下，需要运用粗网格的新数值的技巧，就好比如峰值应力的技巧（PSM）。在此项工作的操作过程当中，讲述了旨意在分析PSM合用性以估计的3D对接焊接接头当中的R-NSIF值的磋议。结果阐明，在广义平面的应变条件之下，与经过2D模型所获得的估计值相比，经过应用3D模型PSM所得到的R-NSIF值已经算是很高了（约45％）。这个的原因归结于2D模型的局限，以正确的评价和估计当中焊接的整个过程所引起来的残余应力场[35]。参考文献D.拉达伊.焊接热效应[M].北京:机械工业出版社,1997.[2]杨珂,李桓,朱宵阳,等.盲孔法测量中厚板机器人横焊接头的残余应力[J].中国科技信息,2017(7):72-73.[3]TokudaY,SongMH,UedaY,etal.Three-dimensionalnumericalsimulationofbloodflowintheaorticarchduringcardiopulmonarybypass[J].EuropeanJournalofCardio-ThoracicSurgery,2008,33(2):164-167.[4]AlexopoulosND,ArgyriouN,StergiouV,etal.FatigueBehaviorofInconel718TIGWelds[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2014,23(8):2973-2983.[5]李索,任森栋,董军，等.P92/IN625异种钢焊接残余应力数值模拟[J].热加工工艺,2018(9):9-13.[6]HanK,WangH,ZhangB,etal.Effectofthermalcompensationonmicrostructureandmechanicalpropertiesofelectron-beamweldedjointforhigh-NbcontainingTiAl/Ti600alloys[J].Materials&Design,2017,131:273-285.[7]WeGlowskiMS,BtAchaS,PhillipsA.Electronbeamwelding–Techniquesandtrends–Review[J].Vacuum,2016:S0042207X16301245.[8]ZhaoZW,ZhuH,ChenZH.Mechanicalbehaviorofsingle-layerreticulatedshellconnectedbyweldedhollowsphericaljointswithconsideringweldingresidualstress[J].WeldingintheWorld,2015,60(1):1-9.[9]BrarGS,SinghCS.FEAofresidualstressincruciformweldedjointofhollowsectionaltubes[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2014,102(11):44-58.[10]WithersPJ,TurskiM,EdwardsL,etal.Recentadvancesinresidualstressmeasurement[J].InternationalJournalofPressureVesselsandPiping,2008,85(3):118-127.[11]GrumJ.BookReview:AnalysisofResidualStressbyDiffractionUsingNeutronandSynchrotronRadiation[J].MeasurementScience&Technology,200