焊接残余应力形成机制与消除原理若干问题的讨论

针对目前存在的一些对焊接残余应力形成机制和消除原理传统理论的质疑和不同观点，采用两端拘束杆件和长板各焊接的一维简化模型，分析比较了经受加热与冷却热循环以及直接从高温冷却下来时的应变历史和残余应力产生的机制。结果表明，前者存在残余压缩塑性应变，后者存在残余热收缩应变。两者对产生残余应力的作用完全是等价的，为了统一概念，建议引入固有应变理论。固有应变包括焊接过程中产生的塑性应变，热应变和相变应变，残余应力是在固有应变源作用下构件自动平衡的结果，消除焊接残余应力必须去除固有应变源，此外对若干容易混淆的问题进行了讨论。     

关于焊接残余应力形成机制的探讨

局部热处理是保证承压设备全寿命周期安全性的重要手段. 文中以某二甲苯塔分段筒节为研究对象,提出了一种主副加热分布式热源局部热处理方法,在传统单加热基础上,距离焊缝一定位置施加副加热区,主加热用于改善焊缝微观组织、消除部分残余应力,副加热在焊缝产生反变形,抵消主加热产生的“收腰变形”,消除焊缝内表面残余应力. 采用试验、数值模拟和理论分析,建立了主副加热局部热处理有限元模型,研究了副加热带温度、宽度、主副加热间距对应力消除效果的影响规律. 结果表明,采用传统单加热热处理方法,降温阶段,焊缝受到拘束作用在内表面产生新的二次应力. 主副加热分布式热源局部热处理利用副加热区的反变形,可以在焊缝内表面产生压应力. 主副加热带宽度、间距和副加热温度是应力消除效果的关键因素,提出了主副加热局部热处理工程设计方法,为重大承压设备局部热处理提供依据.     

关于焊接残余应力消除原理的探讨

介绍了机械拉伸法、温差拉伸法、滚压法和低应力无变形焊接技术消除应力原理的传统观点,认为焊接时焊缝产生压缩塑性变形,消除应力的原理在于用拉伸塑性变形抵消、补偿压缩塑性变形。本文提出新的应力应变发展过程,指出焊缝不存在压缩塑性变形,一直受拉伸,熔合线附近处于脆性温度时承受较大的纵向拉伸应变,随着远离熔合线,应变值陡降。焊缝消除应力的原理在于用塑性应变减少甚至抵消弹性应变,在一般情况下是用拉伸塑性应变减少甚至抵消拉伸弹性应变。本文还阐述了各种消除应力工艺的原理并很好地解释了横向液化裂纹分布在熔合线附近和裂纹很短的现象。     

钛焊接接头的残余应力

纯钛在海洋环境中具有优良的耐蚀性和耐生物附着性。用于凝汽器的海水冷却管在船舶上使用涉及到纯钛焊接板骨架构件的船舶结构材料时，其焊接残余应力对疲劳强度、压曲强度的评价很重要。即在疲劳行为上，拉伸的残余应力呈现出使平均应力增大的相同效果，从而使测得的疲劳强度偏低。对角焊焊接的板骨结构，焊接部位存在着残余应力，与之平衡在所围骨架的板中央附近产生了压缩残余应力，这种残余应力使压曲负载下降。但对纯钛的焊接接头残余应力缺乏研究，因此，日本学者为了评价纯钛焊接构件的疲劳、压曲强度，对纯钛的焊接接头残余应力进行…     

预置应力对焊接残余应力峰值的影响

运用三维热塑性有限元法对不同预置应力下搭接接头角焊缝的焊接残余应力的影响进行了分析,提出了通过预置应力来降低焊缝根部的焊接残余应力峰值,从而提高结构的使用寿命的方法。     

热沉影响钛合金薄板焊接残余应力的试验分析

采用切条应力释放法测量了钛合金TC4薄板常规钨极氩弧焊(GTAW)和动态控制低应力无变形GTAW对接试件中的纵向残余应力和纵向残余塑性应变的分布。测量结果表明,钛合金常规GTAW缝中残余拉应力峰值小于其母材屈服强度,焊缝附近存在残余压缩塑性应变;动态控制低应力无变形GTAW焊技术中热沉的冷却作用使得热源与热沉之间的高温金属承受强烈的拉伸作用,产生拉伸塑性变形,部分抵消了焊接过程中已产生的缩短的塑性变形,使得试件中纵向残余塑性应变减小,焊接残余拉应力峰值降低,残余压应力水平降低。切条应力释放法是一种简便有效的薄板焊后残余应力测量方法,能够满足工程应用的精度要求。     

关于焊接应力应变问题的再探讨

由于认为焊缝存在加热过程和忽视熔化现象的存在,导致传统观点认为的焊缝存在压缩塑性应变的错误。传统观点尚不能解释液化裂纹出现于熔合线处和裂纹很短的现象,用作者给出的高温应变分布图可很好解释。消除焊接残余应力并不是一定要去除固有应变源,有时不去除固有应变源仍可消除残余应力。消除残余应力的过程实质上都是将残余弹性应变转变为塑性应变的过程。     

关于焊接残余应力与应变问题的分析与探讨

传统的观点认为在焊缝及近缝区存在着残余压缩塑性应变,而近几年有学者提出焊缝不存在残余压缩塑性应变,只存在拉伸应力和应变,在焊后焊缝当中不可能存在残余压缩塑性变形,从而对消除残余应力的方法进行了重新论述,为了分析关于焊缝和近缝区纵向残余应力及纵向塑性应变的分布,采用数值模拟的方法对熔焊接头的应力和应变进行了分析和计算,结果表明,焊缝及近缝区存在着纵向残余压缩塑性应变,验证了传统观点的正确性,并就计算结果对有关残余应力与应变的因果关系及相关问题进行了分析和讨论.     

材料硬化模型对316L不锈钢焊接残余应力的影响

316L奥氏体不锈钢具有较强的应变硬化特征,建立合适的硬化模型可以更加准确地预测焊接残余应力.建立一种新型的非线性混合硬化模型,基于SYSWELD软件,采用间接耦合的三维热弹塑性有限元法模拟316L奥氏体不锈钢三道槽焊缝的残余应力.结果表明,材料的硬化模型对焊接残余应力的预测具有重要的影响,随着热循环次数的增加,硬化模型的影响越明显;与实际测量结果比较,随动硬化模型低估了焊接残余应力,等向硬化模型高估了残余应力,采用非线性混合硬化模型可以更加准确地模拟焊接残余应力.     

Effect of preheat on residual stress distributions in arc-welded mild steel plates

Residual stress distribution in the longitudinal and transverse directions on a 6-mm-thick arc-welded mild steel plate was experimentally examined with and without initial preheat. Stress measurements were completed by monitoring strain changes on mounted strain gauges resulting from successive milling of the welded plate specimens. Machining stresses were also compensated for by carrying out measurements of strain changes due to milling operation of a stress-free unwelded annealed mild steel plate. High tensile residual stresses exist close to the weld line in both longitudinal and transverse stresses. Maximum longitudinal residual stress values existing close to the weld line are reduced (between 50 and 75%) due to the effect of initial metal preheat of 200 °C of the welded steel plate.     

薄板焊接残余应力尺寸效应

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.     

球罐焊接残余应力数值模拟分析

利用有限元法动态模拟球罐环焊缝以及平板的焊接过程,分析了球罐焊接过程温度场的变化状况和焊接残余应力分布规律.结果表明,焊接热影响区范围很小,球罐环焊缝焊接残余应力是经向和径向坐标的函数,纬向焊接残余应力大于经向应力,两向应力的最大值均处在热影响区内,最大应力值超出了材料的屈服极限,是产生裂纹缺陷的原因之一等.用X射线衍射的方法测试了平板焊接接头的焊后残余应力,并将测试结果与有限元模拟计算结果比对,验证了模拟计算方法的可靠性和计算结果的正确性.     

Characteristics of welding distortion/residual stress generated by fillet welding with laser beam and verification of generality of its highly accurate prediction

It was found that the characteristics of welding distortion and residual stress generated by laser beam welding (LBW) had the same tendency as those by arc welding but that the absolute value was small. Moreover, the process of LBW is quite different from that of arc welding, the validity and generality of the dominant factors to predict high accuracy welding distortion and residual stress generated by welding could be verified by the high accurate prediction of welding distortion and residual stress which had been proposed based on arc welding. Inherent force was proposed as a parameter which could indicate the magnitude of compressive residual stress, which might influence the load-carrying capacity. Although inherent forces with LBW were 40% that of arc welding, it was found that control of welding heat input was important so as to improve the load-carrying capacity.     

焊接残余应力对2024铝合金薄板疲劳寿命的影响

对搅拌磨擦焊、TIG焊和激光焊进行数值模拟,得到焊接残余应力场.将残余应力场施加到线弹性断裂力学模型之中,运用J积分方法计算残余应力强度因子,并计算裂纹扩展速率,通过与试验结果和虚拟裂纹闭合法计算结果进行对比,验证了文中所使用方法的正确性.研究发现,残余应力强度因子的分布与残余应力分布形式相似.残余应力的引入,对应力比有较大影响,但随着应力比的增大,残余应力对应力比的影响逐渐减弱.焊接残余应力的引入缩短了焊接构件的使用寿命,当裂纹长度较小时,TIG焊接构件使用寿命比搅拌摩擦焊接构件和激光焊接构件使用寿命短.     

多层多道焊接残余应力与变形三维数值模拟

大型复杂焊接结构件的主要接头形式为平板对接,开展对平板对接多层多道焊接三维数值模拟研究十分必要。通过控制网格尺寸和边界条件进行优化来平衡模拟精度和计算效率的问题,并采用试验测量和MSC.MARC有限元模拟相结合方法分析焊接残余应力与变形趋势。结果表明,该多层多道焊接数值模拟采用位移约束和弹簧约束混和边界条件,在焊缝最大网格尺寸为2 mm时,计算效率和精度匹配效果最佳,有限元计算结果与试验测量结果吻合良好,证明该有限元模型的合理性。     

焊接残余应力求解的边界元数学模型

焊接残余应力和变形之间存在着确定关系,二者可通过焊接过程中产生的非协调应变联系起来,文中以焊接初应变为基础,利用边界元的直接法,推导出了通过焊接变形求解二维焊接残余应力的数学模型.给定焊缝中初应变的初值,根据焊接构件边界上已知的位移信息,可由边界积分方程求出边界上所有未知的位移分量和表面力分量.在边界位移已知的条件下,应用该模型可对焊接构件内部残余应力进行求解.构件边界上的应力可由弹性体的边界应力和边界面力的关系,通过物理方程和几何方程求出.通过计算实例,验证了模型的可行性.