焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律

題目：焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律課程：焊接結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)專業(yè)：焊接技術(shù)與工程目錄TOC\o"1-2"\h\u摘要 摘要隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等各個(gè)領(lǐng)域?qū)駶?jì)的發(fā)展起著極其重要的作用。由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入構(gòu)件焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接殘余應(yīng)力和變形這將對焊接接頭的各種力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。焊接殘余應(yīng)力的存在一方面工件會降低強(qiáng)度使工件在制造時(shí)產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷另一方面又會在制造后的自然釋放過程中使工件的尺寸發(fā)生變化或者使其疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等力學(xué)性能降低。因此殘余應(yīng)力的測量對于確保工件的安全性和可靠性有著非常重要的意義。同時(shí)對焊接殘余應(yīng)力方法的研究能夠較精確的掌握構(gòu)件焊接后殘余應(yīng)力大小及分布情況對研究焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律有著重要的意義。本文對焊接的基本理論、焊接殘余應(yīng)力的形成機(jī)理等進(jìn)行了整理、歸納和總結(jié)?并在此基礎(chǔ)上?詳細(xì)闡述了目前對殘余應(yīng)力測試比較常用的一些方法并介紹了當(dāng)前國內(nèi)外新型的一些殘余應(yīng)力測試方法在此基礎(chǔ)上對殘余應(yīng)力測試的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。并提出了要合理選擇合適的殘余應(yīng)力測試方法?！娟P(guān)鍵詞】：焊接理論；殘余應(yīng)力；測試方法1.焊接殘余應(yīng)力在進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析之前為便于分析?我們先對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了定義。平行于焊縫的方向稱為縱向該方向的應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力；垂直于焊縫的方向稱為橫向該方向的應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力。大多數(shù)的焊接方法都要將焊件局部加熱因此焊件中溫度的分布是不均勻的并且在焊接過程中還將不斷變化；另外由于焊接溫度很高一般均超出母材或焊料的熔化溫度故在焊接過程中均將產(chǎn)生塑性變形?因此在焊接中均有殘余應(yīng)力存在。這種殘余應(yīng)力就稱之為焊接殘余應(yīng)力。在進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析之前為了便于分析?我們先對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義。平行于焊縫的方向稱為縱向該方向的應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力；垂直于焊縫的方向稱為橫向該方向的應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力。大多數(shù)的焊接方法都要將焊件局部加熱因此焊件中溫度的分布是不均勻的并且在焊接過程中還將不斷變化；另外?由于焊接溫度很高?一般均超出母材或焊料的熔化溫度故在焊接過程中均將產(chǎn)生塑性變形?因此?在焊接中均有殘余應(yīng)力存在。這種殘余應(yīng)力就稱之為焊接殘余應(yīng)力。1.1焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的。焊接應(yīng)力按其發(fā)生源來區(qū)分有如下3種情況：（1）直接應(yīng)力這是進(jìn)行不均勻加熱和冷卻的結(jié)果，它取決于加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度，是形成焊接殘余應(yīng)力的主要原因。（2）間接應(yīng)力這是由焊前加工狀況所造成的壓力。構(gòu)件若經(jīng)歷過軋制或拉拔時(shí)，都會使之具有此類殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力在某種場合下會疊加到焊接殘余應(yīng)力上去，而在焊后的變形過程中，往往也具有附加性的影響。另外，焊件受外界約束產(chǎn)生的附加應(yīng)力也屬于此類應(yīng)力。（3）組織應(yīng)力這是由組織變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，也就是相變造成的比容變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。它雖然因含碳量和材料其它成分不同而有異?但一般的情況下，?這種影響必須要加以考慮的是，發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度。焊接殘余應(yīng)力一般主要是由(1)情況的直接應(yīng)力所造成的。在此有必要把這種溫度梯度所造成的影響作更進(jìn)一步的探討。在加熱過程中，一般在物體內(nèi)，如果其各部分呈不均勻的溫度狀態(tài)時(shí)，各部分的熱膨脹數(shù)量就不同。由于彼此之間相互制約就產(chǎn)生熱應(yīng)力。假定這種熱應(yīng)力超過了材料此時(shí)溫度下的屈服應(yīng)力，就會產(chǎn)生塑性變形；塑性變形的發(fā)生，又使熱應(yīng)力的狀態(tài)發(fā)生變化。在冷卻過程中，?如果各部分溫度降低的不一樣，熱應(yīng)力也會發(fā)生。從加熱開始到冷卻終了，焊接殘余應(yīng)力是作為熱應(yīng)力的最終狀態(tài)而出現(xiàn)的，能給予這種殘余應(yīng)力以決定性影響的是各部分的溫度梯度。焊接殘余應(yīng)力的分布2.1縱向殘余應(yīng)力焊接過程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過程。圖所示為周邊自由的兩塊鋼板對接后的殘余應(yīng)力分布情況。由于施焊時(shí)電弧對鋼板不均勻加熱?焊縫及其附近熱影響區(qū)溫度達(dá)到了熱塑性狀態(tài)在冷卻的過程中由于焊件的整體性妨礙了高溫區(qū)的自由收縮。因此焊縫區(qū)發(fā)生了很大的縱向（沿焊縫長度方向）殘余拉應(yīng)力?而在低溫區(qū)則產(chǎn)生了縱向殘余壓應(yīng)力如圖所示。圖2.1.1鋼板對焊后的殘余應(yīng)力2.2橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力的同時(shí)還會在垂直于焊縫方向產(chǎn)生橫向殘余應(yīng)力其原因大致如下：當(dāng)焊縫縱向收縮時(shí)有使兩塊鋼板向外彎成弓形的趨勢?但為焊縫金屬所阻止，因而產(chǎn)生焊縫中部受拉?兩端受壓的橫向應(yīng)力；由于焊縫是依次施焊的后焊部分的收縮因受到已經(jīng)冷縮的先焊部分的阻礙，以致引起后焊部分產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力并使鄰近的先焊部分產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。焊縫的橫向殘余應(yīng)力是上述兩種原因產(chǎn)生的應(yīng)力合成。2.3延焊縫厚度方向上的殘余應(yīng)力在厚鋼板的連接中焊縫需要多層施焊因此除有縱向和橫向焊接殘余應(yīng)力(σx,σy)外?沿厚度方向還存在著焊接殘余應(yīng)力σ。這是因?yàn)椋?、分層焊接時(shí)?先焊接的部分由于已經(jīng)冷卻?而必將對后焊部分的膨脹產(chǎn)生約束作用阻止其變形。因此必將在先焊部分產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而在后焊部分必將產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。2、由于板厚焊縫內(nèi)部的散熱不均勻，靠近構(gòu)件表面部分由于可以直接與外界進(jìn)行熱交換，散熱比較快。而焊縫內(nèi)部的散熱卻不如表面快?這必將造成焊縫表面與內(nèi)部溫度不一致而存在溫差。這就必然會產(chǎn)生沿板厚度方向的殘余應(yīng)力。3殘余應(yīng)力測試技術(shù)殘余應(yīng)力測試技術(shù)是計(jì)算方法的有效驗(yàn)證與補(bǔ)充，也是實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確評價(jià)工程構(gòu)件的安全性與可靠性的必要工具。目前，殘余應(yīng)力測試方法種類繁多且各有利弊。3.1破壞性測試方法輪廓法于2001年由美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的PRIME提出。該方法根據(jù)應(yīng)力釋放與彈性變形的關(guān)系獲取殘余應(yīng)力分布。如圖2.1.0所示，首先將試樣沿待測截面切開，切割面由于彈性應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形，再對切割截面的正向位移進(jìn)行測試及擬合，將擬合后的數(shù)據(jù)作為邊界條件施加到有限元模型中，根據(jù)線彈性計(jì)算得到垂直于切割截面的初始?xì)堄鄳?yīng)力分布。輪廓法測試精度較高、測試費(fèi)用相對較低、測試裝置也相對簡單，測試結(jié)果對微觀組織變化不敏感，可獲取整個(gè)截面的應(yīng)力分布全貌。圖3.1.1輪廓法殘余應(yīng)力測試原理圖輪廓法可以測量厚度較大的工件內(nèi)部殘余應(yīng)力且不受尺寸限制。測量精度主要與輪廓數(shù)據(jù)的采集、擬合方法和表面切割的精度有關(guān)，改進(jìn)切割方法和表面輪廓測試方法可以提高測量精度：SHIN[44]指出若在切割平面附近布置合適的約束條件，則可避免塑性變形引起的輪廓法測試誤差。TOPARLI等[45]通過優(yōu)化切割參數(shù)并提出最優(yōu)擬合結(jié)點(diǎn)間距的新判據(jù)，從而通過輪廓法獲取了較為理想的近表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果。AHMAD等[46]修正了切割時(shí)引起的誤差以提高輪廓法的測試精度，通過減小脈沖持續(xù)時(shí)間降低了切割過程中的表面粗糙度，并通過設(shè)置表面附加層降低了近表面輪廓法測試結(jié)果的不規(guī)則性。然而，傳統(tǒng)的輪廓法只能測試某一截面上正應(yīng)力的分布，而無法獲取其他方向的應(yīng)力分量以及不同位置的應(yīng)力分布結(jié)果。今后，輪廓法應(yīng)進(jìn)一步提高切割精度，降低切割引起的塑性變形誤差；同時(shí)，需要提高輪廓測試的分辨率以提高輪廓測量精度，建立更為具有針對性的擬合方法而降低輪廓測試誤差；也需將輪廓法與X射線衍射法相結(jié)合，從而獲取高精度的構(gòu)件表面與內(nèi)部殘余應(yīng)力分布結(jié)果。3.2半無損檢測技術(shù)壓痕應(yīng)變法測量殘余應(yīng)力屬于一種微損的應(yīng)力測量技術(shù)，可避免工程部件因有損性測試方法造成的破壞，其測試原理如圖13所示。該方法通過制造壓痕形成外加應(yīng)力場，并與原有殘余應(yīng)力場引起應(yīng)變增量，進(jìn)而通過下面公式將所測試應(yīng)變轉(zhuǎn)化為殘余應(yīng)力。式中，σx、σy為主應(yīng)力，E為彈性模量，v為泊松比，εex、εey為彈性應(yīng)變。圖3.2.1壓痕應(yīng)變法測試原理相對于其他殘余應(yīng)力測試方法，壓痕應(yīng)變法則由于物理背景較清晰，相關(guān)理論較成熟，測試結(jié)果與盲孔法測試結(jié)果比較接近，因此成為大量學(xué)者采用的測試手段。ZHANG等[54]利用壓痕法測試了雙相不銹鋼焊接殘余應(yīng)力，并獲取了與有限元模擬較為吻合的結(jié)果。陳懷寧等[55]討論了殘余應(yīng)力的壓痕法測試過程中塑性區(qū)的變化規(guī)律，通過有限元模擬技術(shù)發(fā)現(xiàn)對于常見的金屬材料，當(dāng)其壓痕直徑為1.2mm、殘余應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)，塑性區(qū)半徑達(dá)到4mm左右，從而為壓痕法專用應(yīng)變片提供了尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)。在壓痕應(yīng)變法測試中，塑性區(qū)的大小嚴(yán)重影響測試結(jié)果的精度，應(yīng)保證其與應(yīng)變敏感元件的測試區(qū)域保持合理的距離；同時(shí)，需確立應(yīng)變增量與殘余應(yīng)力合理的函數(shù)關(guān)系以及應(yīng)變增量與材料特性間的關(guān)系，從而高效準(zhǔn)確地完成結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力的測試?？偨Y(jié)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)及承壓設(shè)備的高速發(fā)展對焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算、測試及調(diào)控提出了更高的要求。需通過合理的計(jì)算與測試方法相結(jié)合，使承壓設(shè)備的焊接殘余應(yīng)力得到準(zhǔn)確的評估，進(jìn)而選擇有效的調(diào)控方式精準(zhǔn)調(diào)控焊接殘余應(yīng)力，以保證各類承壓設(shè)備的高性能與高可靠性制造。測試方法上，精準(zhǔn)的焊接殘余應(yīng)力測試是對計(jì)算模擬結(jié)果的驗(yàn)證與優(yōu)化，并為裝備制造與設(shè)備運(yùn)行提供可靠性建議。然而，目前破壞性測試方法對構(gòu)件造成的破壞不可修復(fù)，其測試結(jié)果受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，而無損的衍射測試方法通常設(shè)備體積較大，價(jià)格極為昂貴，先進(jìn)的中子衍射與同步輻射源不具有便攜性、無法提供現(xiàn)場的試驗(yàn)，X射線法、超聲波法受材料的微觀組織特征影響較大，而工程現(xiàn)場難以對材料的性能進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測試與評估。因此，為滿足現(xiàn)場測試的需求，需進(jìn)一步發(fā)展便攜式的微損/無損測試手段，如鉆孔法及壓痕法。通過提高應(yīng)變片的精度、提出快速準(zhǔn)確的計(jì)算系數(shù)標(biāo)定方法、降低現(xiàn)場測試時(shí)塑性變形對計(jì)算結(jié)果造成的誤差，可推動鉆孔法及壓痕法的進(jìn)一步普及應(yīng)用。參考文獻(xiàn)呂國坤，陳黎卿，陳永新，等.盲孔法測量殘余應(yīng)力試驗(yàn)中塑性修正的插值方法[J].熱加工工藝，2014，43(9)：185-187，190.陳懷寧，林泉洪，陳靜，等.沖擊壓痕法測量殘余應(yīng)力中的塑性區(qū)問題[J].焊接學(xué)報(bào)，2001(5)：21-23.ZHANGW，JIANGW，ZHAOX，etal.Fatiguelifeofadissimilarweldedjointconsideringtheweldresidualstress：Experimentalandfiniteelementsimulation[J].InternationalJournalofFatigue，2018：182-190.宋天民.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除[M]，北京：中國石化出版社,2005.王勤生，奧氏體不銹鋼波紋管的應(yīng)力腐蝕研究，[碩士學(xué)位論文]，南京工業(yè)大學(xué)，2004高潔安，嚴(yán)正，董艷柱等.SA335-P92鋼管采用感應(yīng)加熱焊接熱處理工藝試驗(yàn)[J]，電力建設(shè)，2010,10：109-113.SHINSH.FEManalysisofplasticity-inducederroronmeasurementofweldingresidualstressbythecontourmethod[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology，2005，19(10)：1885-1890.TOPARLIMB，F(xiàn)ITZPATRICKME，GUNGORS，etal.Improvementofthecontourmethodformeasurementofnear-surfaceresidualstressesfromlaserpeening[J].ExperimentalMechanics，2013，53(9)：1705-1718.AHMADB，F(xiàn)I