有关焊接中残余应力的大小与分布及减少措施

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第24卷第4期洛有色含属Vo1．24N0．42003年l2月SHANGHAINONFERROUSMETAISDee．2003文章编号：1005—2046(2003)04—0152—05焊接中残余应力的大小与分布及减少措施杨务滋，杨国庆，杨超，周立强(中南大学机电学院，湖南长沙410083)摘要：熔化焊是通过高温熔化金属以实现连接的一种连接工艺。该焊接过程中金属材料受局部加热，并随之快速冷却，在焊剂与基体金属之间产生了较大的残余应力。其产生大大地降低该焊接结构的抗弯强度，并且容易导致脆性断裂，因

2、此有必要对这种残余应力的大小扣分布，以及其受焊接条件影响的规律进行探讨。该文运用ANSYS分析软件，分析了薄板单层电弧焊后残余应力的大小，并且讨论了焊接速度、焊件尺寸大小、焊件外部约束扣预热等因素对其大小的影响及其减少的措施。、关键词：熔化焊；残余应力；抗弯强度；脆性断裂；ANSYS分析软件中图分类号1TG442文献标识码：A件表面的二维残余应力状态，因此存在着很大的1引言局限性。在此基础上，后来有人提出了基于固有熔焊是通过局部加热熔融金属而不用机械压应变的三维残余应力的测量方法[4】。本文分析了力或锻打进行焊接的一种连接工艺。其应用遍及焊

3、接的热力学模型，借助ANSYS有限元分析软机械、电力、建筑、桥梁、造船、化工、核能、件，计算出了残余应力的大小，分析了其与焊接宇航和海洋等行业。随着焊接应用范围的扩大，条件的关系，并提出了减少残余应力的方法。技术的进步，人们逐渐加深了对各类焊接缺陷的2理论分析认识。在焊接过程中金属材料受局部加热，并随之快速冷却，在焊剂与基体金属之间产生了较大理论上，焊接后的残余应力分布可以通过热学和力学模型来估算。的残余应力一通常接近屈服应力，大大地降低了2．1热学模型分析该焊接结构的抗弯强度，并且容易导致脆性断2．1．1温度变化规律裂。因此有必要对这种残

4、余应力的大小和分布、由任意表面围成的体积，在温度场中，其热影响残余应力的各因素及其减少方法作一探讨。流平衡关系可以由下式表示：在分析焊接残余应力方面，测量残余应力方法大致可以分为三种：一一(++)+Q(x,yY,z,t)：(1)破坏性的测量，包括切割法、套孔法fDC(1)等；(2)半破坏性的测量，如小孔法⋯；式中：R，R，，R：一每单位面积热流动的速度；(3)非破坏性测量法，包括x射线衍射法、(，Y，，t)一当前温度；Q(，y，：，f)一内部热磁性测量法等。]。产生的速度；

5、D一密度；C一比热；f一时间。然而，上述这些方法所测量的基本上都是

6、构该模型可以通过引入傅立叶热流方程求解：收稿日期：2003．04．II作者简介：杨务滋(1949～)．男，高级工程师．主要从事液压工程设备设计及理论研究维普资讯http://www.cqvip.com第4期杨务滋等：焊接中残余应力的大小与分布及减少措施153表1低合金钢的热物理和力学特性=一Ji}，=一，=一后：(2)式中：k，k，k：分别为，Y，：方向的热传导率，由于在该过程中材料呈非线性，参数，后，kz，，，c是温度的方程，把(2)式代人(1)式得：善(Ii})+(Ii}琴)+善(塑Oz)+Q=lDcaT(3)2．2力学模型这里需要用到

7、力学模型的两套基本方程：平方程(3)为求解固体热传导的微分方程，该衡方程和本构方程。方程必须添加初始条件，以及边界辅助方程才能2．2．1平衡方程求解。¨+pb‘=0(9．1)T(，Y，：，0)=(，Y，：)(4)=(9．2))+q。式中：一应力张量，6一体积力。2．2．2本构方程一)+h，(。一)=0(5)这里用到的是基于VOnMise屈服准则和等向式中：应变硬化规则的热弹塑性材料模型的本构方程，，Ⅳ，Ⅳ

8、一边界外法向余弦；应力应变关系可以表达如下：^一导热传递系数；如=[D][de]一[C“]dT(10．1)一边界热流量；．[D]=[]+

9、[DP](10．2)一周围环境的温度；式中：[]一弹性刚度矩阵；[DP]一塑性刚度矩一辐射热源的温度；阵；[c]一热量刚度矩阵；如一应力增量；一，热辐射传递系数可由下式表示：[de]一应变增量；d一温度增量。h，=acF(+)(+)(6)由于热弹塑性问题属于非线性，因而采用增式中：—Stefan-Boltzmann常量；e一有效发射率；量计算进行叠代，其应力增量采用全牛顿拉谱森F一结构因子。法得到。2．1．2材料特性3估算残余应力的大小在整个焊接过程中经历了一个高温周期，反映出了与温度有关的材料特性，瞬时温度可以选3．1分析模型取一个较小的

10、时间间隔进行外推计算：本文考虑以薄板单层焊接拼合作为分析模型，板宽A=250mm，板长即焊缝长L=80mm，(r)=(t一△t)+[(t一△t)一(t一板厚h=4mm，进行对焊。