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薄板焊接残余应力尺寸效应
材料的焊接加工是对薄板的重要领域。
焊接过程中热处理损伤会导致薄板表面形变，
这种位移效应主要由焊接残余应力而产生。
如何减小这种焊接残余应力，以提高焊接质量
和可靠性，是一个重要的研究课题。
薄板焊接残余应力是由焊接失稳态形成的焊接位错所产生的应力组成。
由于薄板结构
中各层材料的物理性能和尺寸差别，在焊接时，会产生应力集中和应力不均衡的现象，其
中焊缝内的热应力和热膨胀不均衡是导致最大的因素，这样就会影响板材的成形质量。
另外，薄板原有的残余应力和外加应力也会影响焊接残余应力，这种应力受到焊缝尺寸影响，尤其是与焊缝尺寸和材料特性有关的传统焊接焊缝，其焊接残余应力要比其他焊接更大。
因此，改善焊接残余应力效应的关键在于控制焊缝尺寸。
试验已经确定，当焊缝深度
将近厚度一般时，焊缝效应将变小，尤其是对薄板的控制应力。
因此，在薄板焊接时，应
采取焊缝小的方法，如用基板材料来替代夹具或焊垫，缩小焊缝尺寸才能更加有效地抑制
焊接残余应力效应。
在调整焊缝尺寸的同时，需要注意焊缝焊接工艺参数调节，如焊接电流、电压、焊接
热源、加热速度等。
对于薄板的焊接中，这些参数在确定焊缝的尺寸、性能及其他技术要
求上起着非常重要的作用。
另外，还需要重视焊缝接缝技术，注意表面处理、按照规定焊
接接缝缩口以及满足填充大片口的要求。
总之，提高薄板焊接工艺质量，减小焊接残余应力效应，需要注重以上几方面，如控
制焊缝尺寸，合理应用工艺参数，注意焊缝接缝技术等，只有充分考虑和合理利用这些因素，才能有效地抑制焊接残余应力效应，提高薄板焊接的质量和可靠性。
焊接残余应力对矩形薄板力学性能影响邹曦;高永毅;李学军;邹声华【摘要】运用ANSYS有限元软件,根据金属材料微观晶胞结构,建立了面心立方结构的二维金属多晶胞模型;利用生死单元技术和该模型,对堆焊矩形薄板的焊接过程进行了模拟,得出其残余应力场分布;探讨了残余应力对堆焊矩形薄板的固有频率的影响;研究了残余应力对堆焊矩形薄板内应力分布及大小的影响;结果表明,在有残余应力存在的情况下,矩形薄板的各阶固有频率增加;且高阶固有频率比低阶固有频率受残余应力影响更大;残余应力对矩形薄板内应力分布影响不大,但对矩形薄板内晶胞中的原子上应力和原子间金属键上的应力影响比较大.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2015(045)008【总页数】6页(P71-76)【关键词】金属多晶胞模型;生死单元;残余应力场;固有频率;应力分布【作者】邹曦;高永毅;李学军;邹声华【作者单位】湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学能源与安全学院,湖南湘潭411201【正文语种】中文【中图分类】TG4040 前言众所周知，金属构件在焊接过程中会产生残余应力。
焊接残余应力的存在对构件的受力性能有很大的影响，如拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，压缩残余应力会提高金属材料的疲劳抗力。
所以，对焊接残余应力的研究一直以来是国内外专家学者十分关注的研究课题，许多研究工作者做了很多有意义的工作，如：张定铨[1]等人研究了残余应力对金属疲劳强度的影响；周建新[2]研究了薄板焊接残余应力尺寸效应；卞如冈[3]等人定量研究了焊接残余应力对疲劳寿命的影响。
目前，实际测量法和数值模拟法是研究焊接残余应力大小和分布的方法。
研究表明，实际测量法的应用有一定的局限性，数值模拟方法可以模拟焊接过程，从而实现了对焊接过程应力场的分析。
显微压痕法测量残余应力的尺寸效应研究
郝建群;周储伟;倪阳;周世友
【期刊名称】《科技创新与应用》
【年(卷),期】2018(000)027
【摘要】通过有限元模拟研究了显微压痕法测量铝合金2A12残余应力的压痕尺寸效应,使用Meyer方程对模拟得到的不同残余应力程度下压痕试验载荷-深度曲线进行拟合,得到铝合金2A12双向拉伸和压缩残余应力测量的合理压痕深度.【总页数】3页(P5-7)
【作者】郝建群;周储伟;倪阳;周世友
【作者单位】南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,江苏南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TB30
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3.采用显微硬度压痕法测量微区残余应力
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Residual stress study of welded high strength steel thin-walled plate-to-plate joints part 2: Numerical modelingC.K. Lee*，S.P. Chiew，J. JiangThin-Walled Structures 59(2012)120-131高强钢薄壁板间焊接节点的残余应力研究第二部分：数值模拟C.K. Lee*，S.P. Chiew，J. Jiang薄壁板结构 59期（2012年）120-131页高强钢薄壁板间焊接节点的残余应力研究第二部分：数值模拟摘要：在当前研究的第二部分中，通过进行顺序耦合热应力分析来模拟RQT701高强钢薄壁板间焊接节点的焊接过程和最终残余热应力分布。
与测试结果相比较证实了数值模拟的精确度和可靠性。
在完成校验建模过程的准确性后，进行了小规模的参数化研究来探究某些关键焊接工艺参数对残余应力的大小及分布的影响。
关键词：参与应力分布，高强钢，薄壁板间T型和Y型焊接点，焊接工艺参数1．引论焊接是一种通过熔化工件和填充料来形成熔池的加工过程，被频繁地在钢结构的构建中使用。
在电容焊中，因为高度局部化、不均匀、短暂的热效应以及材料在高温下的非线性性质，引起了残余应力的。
焊接过程中可能在高热影响区产生拉伸残余应力进而导致疲劳断裂失效。
对于薄壁板连接件，当母材是高强钢的时候，这种效应更加明显，高强钢与传统低碳钢相比常表现出很低的延展性。
既然如此，大的残余应力可能影响连接件的疲劳和强度性能。
因此，当高强钢用于结构的连接时，对焊接残余应力的更好的估计是必要的。
在焊接过程中，金属内部的热传递以及表面的对流和辐射导致熔化的金属冷却和对流。
因此，掌握温度随时间的变化来评估变形和残余应力是必要的。
焊接中的热传递过程在残余应力的形成中起到了关键作用。
在焊接过程中，结构受热不均匀以至于引起融化带很高的温度梯度。
第27卷 第3期2006年3月焊接学报TRANS ACTI O NS OF THE CH I N A W ELD I N G I N STI T UTI O NVol.27 No.3March 2006薄板焊接残余应力尺寸效应周建新1, 徐 宏1, 王俊胜2, 李栋才3, 张 莉1, 刘阿龙1 (1.华东理工大学机械与动力工程学院,上海 200237;2.辽河石油勘探局油 建一公司,辽宁盘锦 124010;3.西安石油大学材料系,西安 710065)摘 要:利用ANSYS大型有限元软件对对接薄板焊接残余应力的大小和分布进行了计算,得出了尺寸因素对焊接残余应力的影响规律,特别是过渡板宽、板长对焊接残余应力的影响,分析过程中考虑了材料的物理性能及力学性能随着温度的非线性变化以及金属的熔化潜热,使数值模拟结果尽量接近实际值。
最后理论计算与试验结果相比较,结果是基本吻合的,所得结果可以进行残余应力预测。
关键词:焊接;残余应力;有限元方法;尺寸效应中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2006)03-96-05周建新0 序 言焊接构件中复杂的残余应力状态直接或间接的减少了构件中的承载能力,特别是焊道区域的残余应力促使脆性断裂、疲劳强度恶化以及减少构件的稳定性[1]。
因此,定性特别是定量的得到残余应力状态对于设计者来说非常重要,但相关论文参考数据很少,致使焊接参数中只能靠经验规定某种材料、某种厚度需要消除残余应力。
作者以低碳钢薄板为例,通过有限元方法对焊接残余应力进行了系统分析。
1 有限元模型的建立1.1 焊接热源模型焊接过程中,热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行的,加热焊接件的有效功率为q=ηU I,(1)式中:η为焊接热效率;U为焊接电压;I为焊接电流。
焊接加热区的热能分布采用高斯热源模型[2]q(r)=q m exp(-kr2),(2)式中:qm为加热斑点中心最大比热流;k为热流分布集中系数;r为计算点距加热斑点中心的距离。
第27卷 第3期2006年3月焊接学报TRANS ACTI O NS OF THE CH I N A W ELD I N G I N STI T UTI O NVol.27 No.3March 2006薄板焊接残余应力尺寸效应周建新1, 徐 宏1, 王俊胜2, 李栋才3, 张 莉1, 刘阿龙1 (1.华东理工大学机械与动力工程学院,上海 200237;2.辽河石油勘探局油 建一公司,辽宁盘锦 124010;3.西安石油大学材料系,西安 710065)摘 要:利用ANSYS大型有限元软件对对接薄板焊接残余应力的大小和分布进行了计算,得出了尺寸因素对焊接残余应力的影响规律,特别是过渡板宽、板长对焊接残余应力的影响,分析过程中考虑了材料的物理性能及力学性能随着温度的非线性变化以及金属的熔化潜热,使数值模拟结果尽量接近实际值。
最后理论计算与试验结果相比较,结果是基本吻合的,所得结果可以进行残余应力预测。
关键词:焊接;残余应力;有限元方法;尺寸效应中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2006)03-96-05周建新0 序 言焊接构件中复杂的残余应力状态直接或间接的减少了构件中的承载能力,特别是焊道区域的残余应力促使脆性断裂、疲劳强度恶化以及减少构件的稳定性[1]。
因此,定性特别是定量的得到残余应力状态对于设计者来说非常重要,但相关论文参考数据很少,致使焊接参数中只能靠经验规定某种材料、某种厚度需要消除残余应力。
作者以低碳钢薄板为例,通过有限元方法对焊接残余应力进行了系统分析。
1 有限元模型的建立1.1 焊接热源模型焊接过程中,热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行的,加热焊接件的有效功率为q=ηU I,(1)式中:η为焊接热效率;U为焊接电压;I为焊接电流。
焊接加热区的热能分布采用高斯热源模型[2]q(r)=q m exp(-kr2),(2)式中:qm为加热斑点中心最大比热流;k为热流分布集中系数;r为计算点距加热斑点中心的距离。
采用的焊接工艺参数为U=26V,I=160A,v=收稿日期:2005-09-260.0020m/s,η=0.75。
1.2 材料热物理性能材料的热物理性能主要包括热传导率、比热、换热系数和熔化潜热。
将上述参数看成温度的函数,进行非线性分析以提高计算精度。
在数值模拟计算中,热物理性能采用了经验数值[3,4],见图1。
图1 低碳钢(Q235)热物理性能F i g.1 The r m a lm a te ri a l p r op e rti e s o f l o w ca rbo n stee l(Q235) 1.3 材料的力学性能材料的力学性能泊松比、热膨胀系数、弹性模量、屈服强度分别是温度的函数,且是各向同性的。
这些参数选取是否合理,直接影响着最终计算的残余应力的大小和分布。
另外,各个参数随温度的变化尽量取光滑些,这样在应力计算过程中利用插值第3期周建新,等:薄板焊接残余应力尺寸效应97 比较好,同时也减少迭代次数,图2为各力学性能参数随温度变化的曲线图[5,6]。
图2F i g.2 R e l a ti o n sh i p be t w e en m a te ri a lm e chan i ca l p r op e r 2ti e s and tem p e ra tu re 1.4 模型的建立考虑到计算机和ANSYS 有限元软件的特点,选用热单元s olid70进行了温度场分析。
由于焊接是一个随时间和空间都急剧变化的过程,温度梯度很大。
因此在网格划分时在焊缝及其附近要密些,而在远离焊缝的地方网格可以划得较粗。
选用厚度为10mm 的低碳钢板(Q235)进行数值模拟,焊接热源作为内部热源。
分析采用的是两平板对焊,根据对称性,采用试板的1/2进行数值模拟,在对称面上不考虑散热,其余各截面均需考虑散热作用。
作者主要研究焊接构件的尺寸因素对残余应力的影响,因此在焊板尺寸的选取上进行了分析[1],根据焊件在热输入为q 时的平均温升为T av =q /2cphw ,其中h 为板厚;b 为板宽;ρ为密度;c 为比热。
而在焊接热循环中材料不产生塑性变形的上限温度为T s =σs ,其中σs 为屈服极限;a 为热膨胀系数;E 为弹性模量。
(1)当T av ≤T s /3时,该板认为是宽板;(2)当T av ≥1.2T s 时,该板认为是窄板;(3)介于两者之间为过渡板宽。
根据前面所提到的焊接工艺参数,经计算得到:当板宽b ≤57mm 时,属于窄板范畴,当板宽b ≥175mm 时,属于宽板范畴。
2 温度场和应力场的计算2.1 温度场的计算图3显示了距离焊接初始位置0.075m 横截面上不同时刻的温度分布。
当热源移动时,该温度场也与热源一起移动。
在焊缝上节点温度很快达到最大值,随着一些节点距离焊缝中心越远,其最高温度值越来越小。
随着冷却时间的增加,各个节点的温度逐渐趋于一致,在500s 左右,温度场温度基本趋于一致,整体温度达到55℃,各单元节点之间的最大温度差值小于2℃,此时可以认为温度已经达到室温状态了。
图3 距离初始焊接位置0.075m 横截面上瞬态温度分布F i g.3 D istri bu ti o n s o f tem p e ra tu re o n 0.075m c r o s s se c ti o n t o the i n iti a lw e l d i ng po i n t2.2 应力场的计算焊接温度场计算结束后,利用间接耦合法进行了焊接应力场模拟。
将热分析转化为结构分析,单元类型由s olid70自动转化为s olid45单元,同时将各个不同时刻温度场的节点温度代入到应力场中,进行计算,然后得到应力场数值模拟结果。
98 焊 接 学 报第27卷3 结果验证为了验证计算结果的可靠性,分别对宽板为500mm ×200mm 、窄板为500mm ×40mm 的模型进行了小孔法应力测试,然后将纵向焊接残余应力测试结果和数值模拟结果进行了比较,见图4a 、b 。
结果与试验值之间基本吻合,从而证实了数值模拟结果的可靠性。
图4 模拟结果与试验值之间纵向残余应力的比较F i g.4 Com p a riso n o f l o ng itud i na l re si dua l stre s se s be t w e en s i m u l a ti o n re su lts and e xp e ri m e n tre su lts 4 结果分析(1)对计算结果进行了整理、分析,宽板、窄板残余应力分布规律基本上与佐腾[7]等人的研究基本一致,但当焊缝长度小于100mm 时,不同板宽的纵向残余应力基本趋于一致。
见图5、6。
(2)随着焊缝长度的增加,逐渐向过渡板、窄板过渡。
因此,宽板、窄板、过渡板宽与焊缝长度有关,这一点与佐腾等人的研究结果有一些不同,见图7。
图5 不同焊缝长度垂直焊缝横截面上的纵向残余应力F i g.5 Lo ng itud i na l re s i dua l stre s se s o f c r o ss sec ti o n no r m a l t o w e l d f o r d i ffe re n t w e l d l e ng ths图6 不同板宽沿焊缝上的纵向残余应力F i g.6 Lo ng itud i na l re s i dua l stre s se s a l o ng w e l d f o rd i ffe re n t p l a te w i d th s第3期周建新,等:薄板焊接残余应力尺寸效应99 图7 不同焊缝长度垂直焊缝横截面上的纵向残余应力F i g.7 Lo ng itud i na l re s i dua l s tre sse s o f c r o s s se c ti o n no r m a l t o w e l d f o r d i ffe ren t w e l d l eng th (3)在过渡板宽,随着板宽的增加最大压应力值逐渐减少,但最大压应力离焊缝中心的距离变化不大,同时边缘的压应力值也减少,见图8。
(4)焊缝长度小于100mm 时,横向残余应力基本不受板宽的影响,变化趋势基本趋于一致。
见图9。
(5)板宽不同,达到最大值时所需的焊缝长度图8 不同板宽垂直焊缝横截面上的纵向残余应力F i g.8 Lo ng itud i na l re s i dua l s tre s se s o f c r o ss sec ti o n no r m a l t o w e l d f o r d i ffe ren t p l a te w i d ths图9 不同板宽垂直焊缝横截面上的横向残余应力F i g.9 Tran sve rse re s i dua l s tre s se s o f c r o ss sec ti o n no r m a l t o w e l d f o r d i ffe ren t p l a te w i d th s不同,纵向焊接残余应力达到最大时需要的焊缝长度大约相当于板的宽度,见图10。
100 焊 接 学 报第27卷图10 不同板宽沿焊缝的纵向残余应力F i g.10 Lo ng itud i na l re s i dua l s tre sse s a l o ng w e l d f o r d i ffe ren t p l a te w i d th s5 结 论(1)焊缝长度小于100mm 时,横向、纵向残余应力基本趋于一致,不受板宽的影响。
(2)宽板、窄板、过渡板宽与焊缝长度有关。
(3)在过渡板宽,随着板宽的增加最大压应力值逐渐减少,同时边缘的压应力值也减少。
(4)纵向焊接残余应力达到最大时需要的焊缝长度大约相当于板的宽度。
参考文献:[1] 李栋才.焊接应力[M ].西安:陕西科学技术出版社,1999.1-76.[2] 拉达伊D.焊接热效应[M ].熊京第等译.北京:机械工业出版社,1997.2-45.[3] 张文钺.焊接传热学[M ].北京:机械工业出版社,1987.4-26.[4] 唐兴伦,范群波,张朝晖,等.ANSYS 工程应用教程:热与电磁学篇[M ].北京:中国铁道出版社,2003.2-125.[5] 刘 涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M ].北京:清华大学出版社,2002.168-265.[6] 龚曙光.ANSYS 工程应用实例解析[M ].北京:机械工业出版社,2003.312-327.作者简介:周建新,男,1973年10月出生,博士研究生,从事压力容器的焊接和表面处理技术研究,发表论文4篇。
