焊接應(yīng)力應(yīng)變探討

1、關(guān)于焊接應(yīng)力應(yīng)變問題的分析與探討摘要：傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為在 焊縫及近縫區(qū)存在著殘余壓縮塑性應(yīng)變，而近 幾年有學(xué)者提出 焊縫不存在殘余壓縮塑性應(yīng)變，只存在拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，在焊后 焊縫當(dāng)中不可能存在殘余壓縮塑性變形，從而對消除殘余應(yīng)力的方法進(jìn)行了重新 論述，現(xiàn)根據(jù)這種新的觀點及消除殘余應(yīng)力的若干問題， 通過對接焊縫的數(shù)值模 擬來驗證這種新觀點是否正確，并就消除殘余應(yīng)力應(yīng)變問題針對一些矛盾的觀點 進(jìn)行分析和討論。序言1965年，前蘇聯(lián)尼古拉也夫 r. A院士分析了焊接應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程， 其原理見圖1，在鋼板中心區(qū)為壓應(yīng)力和壓應(yīng)變區(qū)， 而板的兩側(cè)為拉應(yīng)力和拉應(yīng) 變區(qū)。在大約200C以上的區(qū)域產(chǎn)生壓縮塑性變

2、形， 在600 C以上的區(qū)域，壓縮 塑性變形為aT式中a為線膨脹系數(shù)，T為溫度1;此外，前蘇聯(lián)的H. O. 奧凱爾勃洛姆和C. A庫茲米諾夫也認(rèn)為焊接加熱過程中焊縫和近縫區(qū)的金屬 熱膨脹應(yīng)變受到周圍較冷金屬的拘束， 從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。焊接冷卻過程中 該壓縮塑性應(yīng)變被拉伸抵消一部分， 但焊后仍殘留部分壓縮塑性應(yīng)變，稱為殘余 壓縮塑性應(yīng)變23。并用來分析和預(yù)測焊接殘余應(yīng)力和變形。從而可以看出傳統(tǒng)的觀點，無論是尼古拉也夫 r. A院士還是H. O.奧凱爾勃洛姆和C. A 庫茲米諾夫，都認(rèn)為焊縫存在壓縮塑性變形。近幾年，沈陽金屬所的王者昌研究 員提出了一種新的觀點認(rèn)為 對于焊縫金屬來說，并不存在加

3、熱階段。在冷卻過 程中除相變外，都受到拉伸，也就是說不存在壓縮，更不會出現(xiàn)壓縮塑性變形?！?究竟是傳統(tǒng)的殘余壓縮塑性應(yīng)變理論正確還是王者昌研究員的觀點正確，現(xiàn)以低碳鋼對接焊縫的數(shù)值模擬來分析和驗證 焊縫的殘余應(yīng)力和殘余壓縮塑性應(yīng)變的 正確性。T. X* e圖低碳鋼板焊接縱向應(yīng)力應(yīng)變分布1 對接焊縫的數(shù)值模擬過去人們在研究焊接應(yīng)力與應(yīng)變方面大多采用解析法，但是由于該方法是基 于平截面假設(shè)的前提下，并簡化了諸多條件和因素，進(jìn)行了多種假設(shè)后而進(jìn)行的 計算，掩蓋了許多現(xiàn)象，伴隨著計算機技術(shù)在焊接研究中的廣泛應(yīng)用， 以數(shù)值模 擬的方法來分析焊接應(yīng)力應(yīng)變及預(yù)測焊接變形已經(jīng)成為了一種主要手段，雖然焊接數(shù)值模

4、擬技術(shù)是從解析法發(fā)展起來的，但其可以定量地分析焊接行為的整個動 態(tài)變化，能夠近于準(zhǔn)確地演示熱彈塑性應(yīng)力和應(yīng)變非線性變化的復(fù)雜變化過程，由于數(shù)值模擬技術(shù)在近30年來取得的進(jìn)展及在研究焊接問題上受到的認(rèn)可，現(xiàn) 在就采用數(shù)值模擬的方法來分析一下熔化焊焊縫及近縫區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變情況。傳統(tǒng)的殘余壓縮塑性應(yīng)變的觀點一直假設(shè)是線熱源對焊縫一起加熱或認(rèn)為焊 縫本身作為待熔化金屬的一部分，焊接不過是在已存在的 焊縫上面加熱而并不熔 化來研究焊縫的應(yīng)力和應(yīng)變問題，從而使得出的殘余壓縮塑性應(yīng)變理論受到了質(zhì) 疑，新觀點認(rèn)為加熱了卻不熔化，這種過程不能稱為焊接，即提出了必須考慮實 際焊接情況，因此有了焊接應(yīng)力與應(yīng)變問題上的

5、爭議，問題的提出很有實際意義， 為了驗證熔化焊焊縫及近縫區(qū)在焊接過程中應(yīng)力和應(yīng)變情況，對薄板熔焊對接接 頭進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬試件材料采用 Q235鋼作為焊接母材，尺寸為 500X160>3mm,應(yīng)用的模擬軟件為MSC.Marc，因焊接接頭的幾何對稱性，取寬 度方向一半建立有限元模型。焊縫及近縫區(qū)網(wǎng)格劃分較密，而遠(yuǎn)離焊縫的母材邊 緣網(wǎng)格變疏，共24743個節(jié)點，16000個單元，模型見圖2。力學(xué)分析中，由于 結(jié)構(gòu)的對稱性，不允許垂直于對稱平面的位移，其它約束的施加防止剛體轉(zhuǎn)動即 可。因為焊接過程的復(fù)雜性，采用小位移、小應(yīng)變的彈塑性增量理論進(jìn)行焊接殘 余應(yīng)力的計算。材料的物性參數(shù)與力學(xué)參數(shù)

6、隨溫度而變，屬于材料非線性。材料 的屈服判據(jù)用Von Mises屈服準(zhǔn)則，塑性區(qū)上的行為服從流變法則，同時假設(shè) ： 材料各向同性；不考慮粘性和蠕變的影響。材料遵循線性硬化模式 4。從圖3可 以看出，薄板熔焊對接接頭冷卻后，焊縫及近縫區(qū)縱向存在著殘余壓縮塑性應(yīng)變， 驗證了傳統(tǒng)觀點的正確性。2焊接殘余應(yīng)力與應(yīng)變問題分析與討論2. 1焊縫的殘余壓縮塑性應(yīng)變與加熱過程的聯(lián)系文獻(xiàn)5在討論應(yīng)力和應(yīng)變的分布時指出：焊縫一直承受拉伸應(yīng)變，在溫度降到力學(xué)熔點以前，這種應(yīng)變一直是拉伸塑性應(yīng)變。當(dāng)溫度降到力學(xué)熔點 以后，焊縫開始出現(xiàn)彈性拉伸應(yīng)變和拉應(yīng)力。可以看出，焊縫從凝固溫度降到室溫 的全過程中不存在壓應(yīng)力和壓應(yīng)

7、變，更不存在壓縮塑性變形。至于熔池前沿升溫 膨脹產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變和變形，因為焊縫尚未形成，故不能算作焊縫的壓縮塑性 變形?！碧岢隽伺c傳統(tǒng)觀點不同的說法，文獻(xiàn)作者認(rèn)為：傳統(tǒng)的觀點忽略了一個 最基本的事實，即板中心區(qū)（焊縫及近縫區(qū)）處于冷卻過程，而不是加熱過程，在這兩個過程中，應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程 是不同的，并提出了另一種觀點，因而認(rèn)為焊接時 焊縫是否存在壓縮塑性變形以及 隨之而來的消除應(yīng)力原理問題尚待研究。文獻(xiàn)5認(rèn)為焊縫的形成僅與冷卻過程有 關(guān)，而與加熱過程沒有關(guān)系，而沒有考慮加熱階段，但是焊縫的形成是有多種因 素綜合作用的結(jié)果，加熱過程是焊縫形成的一個必要條件。是焊接行為的整個過程才積淀了 最后

8、的殘余壓塑塑性應(yīng)變，殘余壓縮塑性應(yīng)變是這一過程中的最終結(jié)果， 如果只 而不是Tm 0形成的才是焊縫，而要考證這一結(jié)果就要考慮勢必有些片面。熱 影響區(qū)內(nèi)金屬所產(chǎn)生的壓縮塑性變形是始終存在的， 其對焊接應(yīng)力與變形的形成 同樣有重要的貢獻(xiàn)。為了驗證加熱過程對殘余壓縮塑性應(yīng)變是否有影響，利用圖2所示有限元模型，只改變材料的加熱溫度，計算熱影響區(qū)塑性應(yīng)變的瞬態(tài)變化 過程，用以模擬近縫區(qū)應(yīng)變演化歷程。從圖4中可以看出焊縫中心的峰值溫度為 957C，雖然高于600C，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到熔點，而由此溫度場在加熱階段引起了 壓縮塑性應(yīng)變，而在冷卻的過程中產(chǎn)生了拉伸塑性應(yīng)變， 縱向塑性應(yīng)變經(jīng)歷了由 壓縮塑性應(yīng)變到拉伸塑

9、性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變過程。因此加熱過程是不能忽略的。2.2焊件縱向變形討論由于文獻(xiàn)5的作者始終認(rèn)為焊縫不存在加熱過程，所以為了解釋焊 件縮短指出了： 焊縫受拉伸，不等于此處的金屬一直受拉伸，在熔池前沿的金 屬受熱產(chǎn)生明顯的壓縮塑性變形。這種壓縮塑性變形量與焊縫冷卻拉伸變形量相 當(dāng)。此外，熔池凝固還會產(chǎn)生大約 3%收縮。三項合在一起，總的結(jié)果是產(chǎn)生了 收縮變形，焊件變短了?？梢哉f焊件變短主要是由于金屬局部熔化隨后凝固 收縮 造成的。”現(xiàn)在來分析一下這個問題，焊縫受拉伸不等于此處的金屬一直受拉伸， 也就是說還存在著壓縮，那么又提出這種壓縮塑性變形量與焊縫冷卻拉伸的變形 量相當(dāng)，這個 相當(dāng)”意思也就是基本上

10、相互抵消，可是理論依據(jù)和實驗依據(jù)不清 楚，為什么會變形量相當(dāng)沒有給出解釋和說明，從傳統(tǒng)的觀點來看壓縮的變形量 和拉伸的變形量是不可能相等的，傳統(tǒng)觀點始終認(rèn)為焊縫存在殘余壓縮塑性應(yīng) 變，而對接焊縫的數(shù)值模擬的結(jié)果也顯示 焊縫在完成整個焊接過程后，縱向只存 在著壓縮塑性應(yīng)變，這也說明由于加熱過程中產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變大于冷卻過程 中產(chǎn)生的拉伸塑性應(yīng)變，與傳統(tǒng)的殘余壓縮塑性應(yīng)變的觀點是相吻合的，文獻(xiàn)5作者最后將熔池凝固產(chǎn)生的近3%歸結(jié)為焊件縱向縮短著實值得商榷，而相關(guān)文獻(xiàn)對這 3%的收縮給予了 合理的解釋：熔池凝固大約3%的收縮，甚至材料在彈性喪失溫度以上冷卻時的 收縮對最終的殘余應(yīng)力 和變形影響是不

11、大的。因為此時材料處于熱塑性狀態(tài)，熱收縮應(yīng)變受到周圍較冷 金屬的約束被拉伸塑性應(yīng)變所抵消。 文獻(xiàn)作者忽略了一個最重要的因素， 也就是 焊縫金屬從高溫，特別從彈性喪失溫度冷卻至室溫時的熱 收縮應(yīng)變，正是該應(yīng)變 起著與壓縮塑性應(yīng)變同樣的作用?？梢哉f一系列質(zhì)疑都是由此而引起的7?！边@里面的分析很符合邏輯和熱彈塑性分析的基本規(guī)律，從而可以判定熔池凝固還會 產(chǎn)生大約3%收縮不是主要原因，其主要原因是其產(chǎn)生的拉伸塑性應(yīng)變小于壓縮 塑性應(yīng)變，所以產(chǎn)生了殘余壓縮塑性應(yīng)變， 這是主要原因，而由于從液態(tài)到固態(tài) 的轉(zhuǎn)變也產(chǎn)生的大約3%左右的收縮也是因素之一，但只是次要原因。2.3液化裂紋形成機理討論文獻(xiàn)6指出：在熔

12、合線兩側(cè)，隨離熔合線的距離增加，縱向拉伸應(yīng) 變急劇減小，這就很容易解釋如圖 6所示的液化裂紋分布在熔合線兩側(cè)和裂紋很短的現(xiàn)象。如果按照 焊縫存 在壓縮塑性變形的觀點，這種裂紋就不會出現(xiàn)了。因為焊縫一直處在冷卻過程中， 它冷卻收縮受阻，承受拉伸應(yīng)變。因此除相變外，焊縫不可能出現(xiàn)壓應(yīng)變和壓縮 塑性變形。”在熔合線兩側(cè)，隨離熔合線的距離增加，縱向拉伸應(yīng)變急劇減小，從而來解釋液化裂紋很短的現(xiàn)象，是合理的和正確的，但是對于 焊縫存 在壓縮塑性變形裂紋就不會出現(xiàn)了， 這種觀點在邏輯上不能完全成立，首先焊縫 產(chǎn)不產(chǎn)生裂紋和壓縮塑性變形不存在直接的邏輯推理關(guān)系，因為產(chǎn)生的塑性變形本身是不可逆的，在加熱過程中產(chǎn)

13、生的塑性變形，在冷卻過程中已經(jīng)保留了下來， 在這一過程中不會產(chǎn)生液化裂紋， 這是肯定的，而在冷卻過程中產(chǎn)生了拉伸塑性 變形，而液化裂紋就是在冷卻拉伸的過程中產(chǎn)生的， 關(guān)于這個問題，文獻(xiàn)7的給 出了時間上的解釋： 在加熱過程中產(chǎn)生了壓縮塑性應(yīng)變， 而在高溫冷卻下來時， 這時產(chǎn)生的是拉伸塑性應(yīng)變，也是熔合線處產(chǎn)生液化裂紋等熱裂紋的原因之一， 它與加熱過程中產(chǎn)生的是壓縮塑性應(yīng)變無關(guān)。 拉伸與壓縮塑性應(yīng)變是在不同時刻 發(fā)生的，并不矛盾?！边@是符合邏輯的解釋，而關(guān)于液化裂紋很短的現(xiàn)象文獻(xiàn) 8 又進(jìn)一步給出了細(xì)致的解釋，值得借鑒。2.4殘余應(yīng)力和塑性變形的因果關(guān)系討論傳統(tǒng)的觀點始終認(rèn)為由于焊后塑性分布的不

14、均勻性分布是產(chǎn)生殘余 應(yīng)力的根源，也就是由于有了塑性變形才產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，多年以來持這一觀點 一直得到了界內(nèi)很多學(xué)者的認(rèn)可，但是經(jīng)典力學(xué)的觀點因為有了力才有可能產(chǎn)生 變形，當(dāng)外力超過了材料的屈服極限才會產(chǎn)生塑性變形， 而在屈服極限以下理想 的彈塑性體將恢復(fù)到原始狀態(tài)，就焊接過程而言，在熔池前沿由于移動熱源的作 用，低溫區(qū)的金屬對高溫區(qū)有一個阻礙作用， 在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生了壓縮塑 性應(yīng)變，而在進(jìn)入熔池以后，應(yīng)力趨于零點，而在冷卻的過程中，由于平衡 焊縫 金屬的熱收縮作用而產(chǎn)生了拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生了拉伸塑性變形，當(dāng)焊縫金屬冷卻 至彈性溫度以內(nèi)產(chǎn)生了彈性拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力，因此作者認(rèn)為：第一，應(yīng)力

15、與變形的關(guān)系為：應(yīng)力是變形產(chǎn)生的原因或推動力”變形是應(yīng)力作用或存在的表 現(xiàn)，彈性變形是應(yīng)力存在的表征，關(guān)系為虎克定律，塑性變形是應(yīng)力達(dá)到極限狀 態(tài)（屈服）表征或證據(jù)，塑性變形量不反映應(yīng)力的變化情況。第二，殘余應(yīng)力作 為內(nèi)應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)自身平衡。殘余應(yīng)力是構(gòu)件應(yīng)力分布的不均勻性的反映，這種 不均衡可以使構(gòu)件發(fā)生變形（即殘余變形）。第三，塑性變形是材料曾經(jīng)發(fā)生屈 服這一歷史經(jīng)歷的記錄，不應(yīng)將塑性變形看成是一種持續(xù)存在， 因此塑性變形不 會影響殘余應(yīng)力的分布，只與彈性變形相互關(guān)聯(lián)，同時存在；第四，塑性變形量 可用來描述和計算殘余應(yīng)力，但不能由此認(rèn)為塑性變形是殘余應(yīng)力存在的原因。3關(guān)于消除殘余應(yīng)力原理的

16、論述首先，消除”殘余應(yīng)力的提法有些欠妥，因為在 焊縫及其附近區(qū)域 產(chǎn)生的拉應(yīng)力被遠(yuǎn)離 焊縫的母材邊緣的壓應(yīng)力所平衡，其焊后總的內(nèi)應(yīng)力為 0， 所謂消除殘余應(yīng)力，只是改變了殘余應(yīng)力的分布特征，使其分布趨于均勻”而應(yīng)該敘述為調(diào)整，而不是 消除”焊接手冊（3）在消除殘余應(yīng)力方法的敘 述中多次提到焊縫存在壓縮塑性變形。例如，采用溫差拉伸法時，兩側(cè)的金屬受熱膨脹對溫度較低的焊縫區(qū)進(jìn)行拉伸，使之產(chǎn)生拉伸塑性變形以抵消原來的壓 縮塑性變形”采用機械拉伸法時，“焊縫壓縮塑性變形得到拉伸并屈服，從而減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內(nèi)應(yīng)力降低”。采用滾壓法時， 焊后用窄輪滾壓 焊縫和近縫區(qū)，可 達(dá)到補償焊接

17、所造成的壓縮塑性變形的目的9?！倍谖墨I(xiàn)5中，由于作者沒有 考慮加熱階段，所以在這樣一個基礎(chǔ)上提出了例如，對于薄板單道焊而言，機械拉伸法消除應(yīng)力為通過加載拉伸， 使焊縫和近縫區(qū)產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而使 彈性拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力減少。溫差拉伸法：兩側(cè)的金屬因受熱膨脹對溫度較低 的焊縫區(qū)進(jìn)行拉伸，使之產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而使彈性拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力減 少。滾壓法則為用窄輪滾壓 焊縫和近縫區(qū)，產(chǎn)生拉伸塑性變形，使彈性拉伸應(yīng)變 和拉應(yīng)力減小?！眱煞N論述雖然不同，但是兩者表達(dá)的意思卻都是怎樣來消除殘 余應(yīng)力，而焊接的殘余應(yīng)力本身就為 0,談不到消除的問題，所謂的消除中只是 改變了內(nèi)應(yīng)力的分布特征。4.結(jié)論1 焊接行為的整個過程才積淀了最后的殘余壓塑塑性應(yīng)變，所以焊 接殘余應(yīng)力的研究應(yīng)該考慮加熱過程。2應(yīng)力與變形的關(guān)系為：應(yīng)力是變形產(chǎn)生的原因或推動力”，變形是 應(yīng)力作用或存在的表現(xiàn)，彈性變形是應(yīng)力存在的表征，關(guān)系為虎克定律，塑性變 形是應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)（屈服）表征或證據(jù)，塑性變形量不反映應(yīng)力的變化情況， 殘余應(yīng)力作為內(nèi)應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)自身平衡。 殘余應(yīng)力是構(gòu)件應(yīng)力分布的不均勻性的 反映，這種不均衡可以使構(gòu)件