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"1-1"\h\u摘要 1一.焊接殘余應(yīng)力的概念 3二.焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 3三.焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法 3四.研究對(duì)象、材料熱物理性能及力學(xué)性能 4五.結(jié)論 5摘要焊接殘余應(yīng)力的存在，會(huì)直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。為了保證焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠準(zhǔn)確的推斷焊接過程中的力學(xué)行為和殘余應(yīng)力是十分重要的課題。對(duì)于厚板焊接就更需要考慮內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小對(duì)于焊接殘余應(yīng)力?以往多是采用切割、鉆孔等試驗(yàn)測(cè)量方法，?不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還要受到許多條件的限制，結(jié)果數(shù)據(jù)誤差也會(huì)很大。而本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法計(jì)算焊接殘余應(yīng)力克服了試驗(yàn)測(cè)量方法等缺點(diǎn)反過來也能驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果。因此本文的研究成果對(duì)科學(xué)研究和工程實(shí)際都具有重要意義。本文首先對(duì)焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試方法和有限元分析的基本原理進(jìn)行了闡述。在對(duì)鋼板焊接殘余應(yīng)力模擬分析過程中?本文采用軟件的熱一結(jié)構(gòu)禍合功能利用改變單元屬性法、生死單元法對(duì)對(duì)接焊縫在焊接過程的殘余應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析通過軟件的語言編寫的程序?qū)崿F(xiàn)焊接熱源的移動(dòng)加載。最后通過后處理，得出了不同時(shí)刻焊縫處各點(diǎn)的溫度分布曲線及焊縫部位殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律?！娟P(guān)鍵詞】：焊接理論；殘余應(yīng)力；測(cè)試方法一.焊接殘余應(yīng)力的概念焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱之為焊接應(yīng)力按作用時(shí)間可分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接過程中，某一瞬時(shí)的焊接應(yīng)力稱之為焊接瞬時(shí)應(yīng)力，它隨時(shí)間而變化焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱之為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力為熱應(yīng)力主要為冷卻應(yīng)力相變應(yīng)力可再疊加其上。在冷焊、擴(kuò)散焊、滾軋敷層和爆炸敷層等情況下冷加工作用力是殘余應(yīng)力的源泉?它可單獨(dú)作用也可能附加于上述熱效應(yīng)之上。在焊接過程中焊接區(qū)以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱?并局部熔化。焊接區(qū)材料受熱而膨脹熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，并造成彈性熱應(yīng)力，受熱區(qū)溫度升高后屈服極限下降熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限。結(jié)果焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮冷卻后，比周圍區(qū)域相對(duì)縮短、變窄或減小。因此，這個(gè)區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力周圍區(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力。冷卻過程中的顯微組織轉(zhuǎn)變會(huì)引起體積的變化，如果這種情況發(fā)生在較低的溫度，而此時(shí)材料的屈服極限足夠高則會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域承受拉伸殘余應(yīng)力?？梢赃\(yùn)用以下的經(jīng)驗(yàn)法則判別產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的情況構(gòu)件最后冷卻的區(qū)域以熱應(yīng)力為主時(shí)呈現(xiàn)焊接拉伸應(yīng)力，而以相變應(yīng)為主時(shí)，呈現(xiàn)焊接壓應(yīng)力。二.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(huì)使之具有此類殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力在某種場(chǎng)合下會(huì)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?cè)斐傻谋热葑兓a(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(huì)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(huì)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。三.焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法殘余應(yīng)力的測(cè)定方法大致可分為機(jī)械測(cè)定法和物理測(cè)定法。機(jī)械測(cè)定法的測(cè)量原理是將具有殘余應(yīng)力的部分，用一定的方法進(jìn)行局部地分離或分割，從而使殘余應(yīng)力被局部釋放，測(cè)定分割前后的變形，然后應(yīng)用彈性力學(xué)來求出殘余應(yīng)力。它主要包括鉆孔法、分割切條釋放法、逐層銑削法等。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的精度較高?但對(duì)構(gòu)件的損傷較大。物理測(cè)定法是利用受應(yīng)力影響的材料物理性質(zhì)的變化測(cè)定材料內(nèi)的殘余應(yīng)力的無損檢測(cè)法。它包括X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法、電子散斑干涉起法等?它對(duì)被測(cè)構(gòu)件無損害?但成本較高。焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法具體分類如圖3.1所示。圖3.1焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法分類四.研究對(duì)象、材料熱物理性能及力學(xué)性能選用厚度為6mm的低碳鋼板(Q235)進(jìn)行數(shù)值模擬,焊接熱源作為內(nèi)部熱源。分析采用的是兩平板對(duì)焊根據(jù)對(duì)稱性,采用試板的1/2進(jìn)行數(shù)值模擬,在對(duì)稱面上不考慮散熱,其余各截面均需考慮散熱作用。采用如下焊接參數(shù):焊接電壓U=26V;焊接電流I=160A;焊接速度V=2mm/s;焊接有效系數(shù)η=0.75;電弧有效加熱半徑R=8mm。材料的熱物理性能主要包括熱傳導(dǎo)率、比熱、換熱系數(shù)和熔化潛熱。將上述參數(shù)看成溫度的函數(shù)，進(jìn)行非線性分析以提高計(jì)算精度。在數(shù)值模擬計(jì)算中熱物理性能采用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，見圖4.1。圖4.1低碳鋼熱物理性能與溫度的關(guān)系材料的力學(xué)性能泊松比、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度分別是溫度的函數(shù)且是各向同性的。這些參數(shù)選取是否合理?直接影響著最終計(jì)算的殘余應(yīng)力的大小和分布。另外,各個(gè)參數(shù)隨溫度的變化盡量取光滑些?這樣在應(yīng)力計(jì)算過程中利用插值比較好同時(shí)也減少迭代次數(shù).圖4.2為各力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化的曲線圖。圖4.2材料力學(xué)性能與溫度的關(guān)系五.結(jié)論焊接殘余應(yīng)力的大小和分布與焊件的尺寸及焊縫尺寸有很大的關(guān)系。對(duì)于超厚度的鋼板分析其厚度方向的殘余應(yīng)力尤為重要而對(duì)于薄板，厚度方向的殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的承載力影響不是很大，故只需考慮橫向及縱向殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件承載力的影響。參考文獻(xiàn)米谷茂著，朱荊璞、邵會(huì)孟譯.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對(duì)策機(jī)械工業(yè)出版社出版,1983蔣滄如,袁海慶.有限單元法的理論與工程應(yīng)用,武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1997王勖成，有限單元法清華大學(xué)出版社，2004.熊建民等，厚板焊接中殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997袁發(fā)榮，伍尚禮。殘余應(yīng)力測(cè)試與計(jì)算，湖南大學(xué)出版社，1987田錫