焊接殘餘應力

焊件在焊接過程中,熱應力、相變應力、加工應力等超過屈服極限(Yield strength),以致冷卻後焊件中留有未能消除的應力。 這樣,焊接冷卻後的殘餘在焊件中的巨觀應力稱為殘餘焊接應力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。

測量方法

中子衍射

X射線衍射

小孔法

輪廓法

焊接殘餘應力的影響

對結構或構件的影響 焊接 殘餘應力是構件還未承受荷載而早已存在構件截面上的初 應力,在構件服役過程中,和其他所受荷載引起的工作應力相互疊加,使其產生二次變形和殘餘應力的重新分布,不但會降低結構的剛度和穩定性而且在溫度和介質的共同作用下,還會嚴重影響結構的 疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。

對結構剛度的影響 當外載產生的應力δ與結構中某區域的殘餘應力疊加之和達到屈服點fy時,這一區:域的材料就會產生局部塑性變形,喪失了進一步承受外載的能力,造成結構的有效截而積減小,結構的剛度也隨之降低。結構上有縱向和橫向焊縫時(例如工字樑上的肋板焊縫),或經過火焰校正,都可能在較大的截面上產生殘餘拉伸應力,雖然在構件長度上的分布範圍並不太大,但是它們對剛度仍然能有較大的影響。特別是採用大量火焰校正後的焊接梁,在載入時剛度和卸載時的回彈量可能有較明顯的下降,對於尺寸精確度和穩定性要求較高的結構是不容忽視的。

對靜載強度的影響 如果材料是脆性材料,由於材料不能進行塑性變形,隨著外力的增加,構件中不可能應力均勻化。應力峰值將不斷增加,直至達到材料的屈服極限,發生局部破壞,最後導致整個構件斷裂。脆性材料殘餘應力的存在,會使承載能力下降,導致斷裂。對於塑性材料,在低溫環境下存在三向拉伸殘餘應力的作用,會阻礙塑性變形的產生,從而也會大大降低構件的承載能力。

對於焊接構件,只要構件和焊道本身具有較好的塑性變形能力(沒有低溫、動荷載等使鋼材變脆的不利因素),殘餘應力不會降低構件的靜力強度。因為有殘餘應力的構件承受逐漸增大的軸心拉力時,外荷載引起的拉應力將疊加截面的殘餘應力。在載入過程中,應力不斷增加,當疊加總應力達到材料的屈服極限fy,構件中存在殘餘拉應力的截而提前進入塑性區,後增長的外荷載僅由截而的彈性區承擔,隨荷載的增大,彈性區減少,塑性區增大,內部應力不斷疊加,應力發生重新分布,直至整個截面上的應力達到材料的屈服極限時為止。由於截面殘餘應力為自相平衡應力分布,故靜力荷載相等,即殘餘應力不會降低構件的靜力強度。但是塑性材料在一定條件下會失去塑性,變成脆性或者構件材料塑性較低,殘餘應力將會影響構件的靜力強度。因為構件無足夠的塑性變形產生,在載入過程中,應力峰值不斷增加,直至達到材料強度極限後發生破壞。因而殘餘應力對其有影響。

計算機模擬研究方法

近年來,計算機數值模擬技術逐漸套用於焊接結構殘餘應力的研究中。

焊接殘餘應力應力的計算機模擬採用熱力耦合的彈塑性有限元模型,採用熱分析與靜力分析耦合的方法,計算得到了包括電弧焊、雷射焊、電子束焊、雷射焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、慣性摩擦焊等高新焊接技術在內的幾乎所有焊接技術得到的焊接結構中的殘餘應力分布。模擬結果與實驗測得值吻合良好。

計算機模擬方法正在逐步推廣成為工業界廣泛採用的一種不可或缺的數位化製造技術。

多家國內大學與研究單位,如清華大學(先進成型製造技術教育部重點實驗室),西北工業大學(摩擦焊陝西省重點實驗室)等,都在焊接殘餘應力的模擬與仿真技術開發與套用方面有著豐富的研究經驗。

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