锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟

1、锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟字体: 小 中 大 | 打印 发表于: 2007-7-02 09:09 作者: 麦蒂 来源: 中国焊接之家社区 邹增大王新洪曲仕尧 摘要建立锤击作用的有限元数学模型，利用该模型对白口铸铁焊补时锤击消除焊接残余应力进行实例分析。结果表明，在合适的焊接规范和工艺下，锤击不仅能有效地消除白口铸铁焊缝部位的应力，而且能促进热影响区拉伸残余应力的释放，甚至可以获得一定值的压应力。当在840360温度区间进行锤击时，可以获得最佳效果。关键词锤击有限元模型残余应力白口铸铁数值模拟 中国图书资料分类法分类号TG45712锤击处理很早被引入焊接领域，初期主要应用于消除焊接变形。

2、通过观察分析，认为适当锤击可以消除和减少焊接裂纹，进而推断锤击有消除焊接残余应力的作用， 因此在工艺中采用锤击处理，防止焊接裂纹的产生1。一般认为,锤击处理消除焊接残余应力是使被处理金属通过锤击,在体内局部产生一定的塑性伸长,释放焊接过程产生的残余拉伸弹性应变,从而达到释放焊接残余应力的目的。但由于锤击（特别是手工锤击）的不规范（锤击力的大小、频率、基体的力学性能及锤击区的温度等）及焊接残余应力准确测试的困难，故对于锤击处理与残余应力的关系,至今尚没有一个科学的和系统的研究2。笔者通过建立锤击处理的有限元数学模型，模拟分析锤击工艺与消除残余应力的关系。1锤击作用的有限元数学模型根据数值分析在焊

3、接中应用的基本理论3，有外力作用时的有限元增量表达式为Kedue=dRe+dFe(1)式中，Ke为单元刚度矩阵；due为单元位移；dRe为由温差引起的等效节点载荷；dFe为由外力引起的等效节点载荷,在此指由锤击作用产生的载荷。1.1锤击作用力的简化单锤重击的波形4见图1a，将其简化为正弦波见图1b，并表达锤击力(2)式中,为载荷持续时间；P为锤击力峰值。假设1锤击力不是通过某个点传递到焊件,而是通过一定的作用面积均布在锤击作用区，锤击强度p=P(t)/A(3)式中，p为作用在锤击区的锤击强度；P(t)为瞬时锤击力；A为锤击的作用面积。假设2锤击作用于焊件是以焊缝中心为对称轴,呈轴对称分布。(a

4、)单锤重击波形(b)简化波形图1锤击力波形示意图1.2锤击作用的有限元模型图2内边界三角单元示意图为便于分析,用简单的三角单元来描述模型。对于锤击作用下的边界单元,规定单元只有一条边jm落在界面上，见图2。(4)式中，分别为jm、jn、nm的长度；为三角单元的面积；j、m为与j、m节点对应的三角形面积；(r,z)为节点坐标 ；Nj 、 Nm 为形函数。 令=，当点n(r,z)落在边上时有Ni(r,z)=0Nj(r,z)=1-Nm(r,z)=(5)式中,01, 当=0,对应j点,当=1,对应m点。ds=sid, 而, 并认为(为节点j、m径向坐标的平均值)。为常数阵,由压力引起的载荷(6)图3边

5、界表面力作用示意图通常认为表面力是垂直作用于边界上的，见图3。(7)将式(7)代入式(6)可得有限元计算公式(8) 2计算实例 实际的焊补试件(见图4),母材为白口铸铁,填充材料采用专用焊条BT1一次焊满。同时假定焊接热过程的所有输入热量在一定时间内全部均匀地加在补焊焊缝上，即作内热源处理。试件的上下表面及周界，作为散热边界条件处理。焊接规范为焊接电流I=180 A,电压U=29 V,焊接时间t=30 s。以焊缝中心轴为对称轴，取试件四分之一进行分析。采用三角单元对构件进行离散，单元总数为540,节点总数为304。边界条件为底面及对称轴为简支支撑,其它面为自由边界。图4试件形状及尺寸示意图本实

6、例所用的基本参数见文献5。图5是在锤击力为500.0 N,锤击点的温度区间为840360,锤击频率为2次/s时残余应力计算值与采用盲孔法测的残余应力值进行的比较。可以看出,计算结果与测试结果基本吻合。但由于锤击模型的假设为“均布”作用（锤头为平头）与实际的锤头为具有一定弧度的圆锥头之间有一定的差异，以及热源简化为内热源处理等原因，因此使计算有一定的误差；此外采用残余应力的测试也存在一定的误差：可以说明锤击模型与实际情况基本相符。(a)径向残余应力(b) 周向残余应力图5残余应力计算值与实验值的比较 图6是在上述规范及工艺条件下,焊补过程应力的变化情况。可以看出，锤击前焊缝及热影响区（曲线1、曲

7、线2）均已产生双向拉伸应力,经过锤击处理后(曲线3、曲线4),焊缝及热影响的拉应力显著降低。若不进行锤击，热影响区的残余应力值已大于母材的抗拉强度，但经过锤击后的残余应力分布，在焊缝处呈现出较大的压应力,热影响区中靠近熔合区侧也表现为压应力,而母材侧虽仍为拉应力,但其值已相当小,不至于导致开裂。可以看出，不同温度下进行锤击对焊接接头的应力有很大的影响。在约840360之间进行锤击时，锤击作用的效果最佳，可以有效地降低残余应力；在高温和低温下进行锤击，热影响区及焊缝中都存在着较大的拉伸应力，不能有效地降低焊补残余应力；锤击温度区间的温度越高，效果越差。(a)径向残余应力(b) 周向残余应力焊接时

8、间：曲线1.t=30 s曲线2.t=41 s曲线3.t=53 s曲线4.t=冷却至室温时间图6焊补锤击时表面应力变化过程图7是在相同锤击力和频率为2次/s,不同锤击温度区间的残余应力图。(a)径向残余应力(b) 周向残余应力曲线1.无锤击作用曲线2.600T1000曲线3.300T650曲线4.360TP)，焊缝中心x值还与焊缝应变硬化指数Hw有关，Hw较低时(如Hw=0.11)，焊缝中心x值在达到sP后变化不大。而Hw较高时(如Hw=21)，焊缝中心x值在达到sP后还会有所增加，但增加的幅度也不大。另外，低胀匹配和等胀匹配时的焊缝中心x值与焊缝应变硬化指数Hw关系不大。比较低胀(图3)、等胀

9、(图1)和高胀(图3)匹配时的焊接残余应力分布可知，当母材sp为250 MPa时，由于焊缝线膨胀系数不同，低胀匹配时的焊缝中心x值低于母材屈服强度sP，等胀匹配时x值能达到sP，高胀匹配时x值可高于sP。因此焊缝强度匹配一定时，焊缝线膨胀系数匹配对焊接动态应力和残余应力的水平影响很大。图3焊缝中心x与焊缝线膨胀系数的关系Fig.3The relation of the longitudinal weldingresidual stresses with TEC of the weld3残余应力的测试结果和分析本文对低碳钢母材(A3钢)选用不同牌号焊条(J422，J507和J807)进行了手工电

10、弧堆焊试验，以比较母材屈服强度较低时，强度匹配对焊接残余应力影响的计算结果和实测结果的差异。试验中所用的几种材料屈服强度分别为：A3钢sP为235MPa，J422焊缝金属sw为330MPa，J507焊缝金属sw为410MPa，J807焊缝金属sw为690MPa7，均属于高强焊缝匹配情况。试验板件尺寸为300mm300mm6mm(长宽厚)，焊前磨削上下两表面后在其中线上刨出一个宽8mm深4.5mm的U形坡口，并在600下保温2h以消除加工过程中产生的残余应力。焊条经 350烘干1h，随烘随用。焊接规范采用表1所示参数，以保证一次焊透并得到宽度为10mm的焊缝。焊完后用手动砂轮和砂布去掉焊缝堆高，

11、使焊缝与母材平整。采用盲孔法8测试焊接残余应力。测试时，先在被测部位贴上电阻应变花，然后按照ASTM标准E837-85在应变花中心打出规定的小孔，以释放焊接残余应力并产生相应的应变，再由应变仪将释放的应变量进行测量和记录。根据释放应变量即可算出残余应力值，计算中采用了分级修正并考虑了加工塑性应变。所用仪器设备有：静态电阻应变仪、专用钻孔装置、特制箔式应变花(应变花的型号为BE-120-2CA)和粘贴剂HJ-61。测试结果如图4所示。由图可知，对于低碳钢母材，焊缝中心的纵向残余应力水平总能达到焊缝屈服强度sw，高强匹配的焊缝中心x较高，如采用J807焊条的焊缝中心x为698MPa，采用J507焊

12、条的焊缝中心x为415MPa，采用J422焊条的焊缝中心x为322MPa，其中x高于屈服强度sW可能是应变硬化的结果。表1手工电弧焊接规范参数Table 1The arc welding parameters焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/mm/s焊条直径/mm130123.04图4焊接残余应力x盲孔法测试结果Fig.4The welding residual stresses testedwith the hole-drilling method比较图1、图2和图4可知，本文的部分计算结果与低碳钢母材焊接残余应力测试结果在量值上有小的差异，这可能是计算中选取的材料参数与实际的低碳钢有些不同

13、的原因，但两者的分布规律性是一致的。4结论(1) 焊缝与母材等强等胀匹配时(SW=SP，W=P)，焊缝中心纵向残余应力x为拉应力，其值达母材屈服强度。(2) 焊缝与母材等强匹配时，低胀匹配时的焊缝中心x值低于母材屈服强度sP。(3) 焊缝与母材等胀匹配且母材sP较低时，低强匹配(sw sP)时的焊缝中心x值均能达到焊缝屈服强度sw。(4) sP较低时的高强匹配计算结果和低碳钢的测试结果在残余应力分布规律上是一致的。基金项目国家教委博士点基金资助项目()作者简介林德超(1964-)，男，工学博士，北京航空工艺研究所连接重点实验室工程师，从事焊接应力变形控制技术机理研究以及专用焊接设备的研制开发。联系地址：北京340信箱102室(邮编：)作者单位：林德超北京航空工艺研究所，北京史耀武北京工业大学材料学院，北京参考文献1上田幸雄等. 有限要素法热弹塑性举动解析J.溶接学会志, 1973, (6).2唐慕尧等.焊接过程力学行为的数值研究方法J.焊接学报，1988，9(3)：125133.3陈楚等编著.数值分析在焊接中的应用M.上海：上海交通大学出版社，1985.4林德超，史耀武.焊缝强度和线膨胀系数匹配对焊接残余应力的影响规律J.压力容器，1996，(6)