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.     

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。     

纯铝薄板TIG焊接残余应力测量

通过高速摄像对纯铝薄板TIG焊电弧形态进行分析,采用小孔法对3 mm纯铝薄板焊接接头进行残余应力测试,利用应变节点采集应变信号并进行无线通讯数据传输,用Matlab软件计算残余应力值。试验结果表明:垂直于焊缝,纵向残余应力从焊缝中心到母材总体呈下降趋势,在焊缝中心存在较大的拉应力,在熔合区周围得到残余应力的最大值,到达母材区后拉应力变为压应力,在约束区残余压应力逐渐减少,最后转变为拉应力。沿着焊缝方向由两边向中心纵向残余拉应力逐渐减小。     

应力应变,疲劳与脆断,断裂力学

20091057关于焊接塑性应变的计算与讨论/方洪渊…//焊接学报.-2008,29(7):60~63采用数值模拟的方法计算了平板熔焊对接接头的纵向塑性应变的分布和动态演变过程。就目前学者所提出的焊缝存在的拉伸塑性应变的观点与传统的残余压缩塑性应变理论所存在的分歧,对比了考虑熔化现象和不考虑熔化现象两种情况,分析了焊缝中心和热影响区焊接准稳态时纵向塑性应变的变化规律。结果表明,考虑熔化现象和不考虑熔化现象纵向塑性应变结果基本相同,在焊接加热过程中所产生的压缩塑性应变始终大于冷却过程中所产生的拉伸塑性应变,在考虑熔化现象的情况下,其热影响区也始终处于压缩塑性应变状态,只是在移动热源经过后,其压缩塑性应变值在冷却的过程中有所减小。图8参1020091058焊接应力变形原理若干问题的探讨(二)/王者昌//焊接学报.-2008,29(7):69~72提出焊接残余应力形成和消除原理:焊接残余应力不是压缩塑性应变引起的,而是由于焊缝和近缝区金属在“力学熔点“及以下温度冷却收缩受阻产生的;消除焊接残余应力不是产生拉伸塑性应变以减少、抵消和补偿压缩塑性应变,而是将残余弹性应变转变为塑性应变;消除焊接残余应力并不是必须去除固有...     

铝合金CT试样焊接残余应力重分布分析

对7005铝合金焊接试样建立有限元模型,模拟分析从试板提取紧凑拉伸试样(CT试样)后试样内部的残余应力重分布情况. 结果表明,CT试样缺口开在焊缝中心线时,横向残余应力在试样中心线两端为压缩状态,中部为拉伸状态,纵向残余应力为压缩状态;缺口开在焊趾时,横向残余应力在两端为压缩状态,中部为拉伸状态,纵向残余应力为拉伸状态;缺口开在母材时,横向残余应力在两端为拉伸状态,中部为压缩状态,纵向残余应力为拉伸状态. 进一步分析表明,焊缝中心线与CT试样边缘的距离超过1/4试样宽度时,两端的横向残余应力为压缩状态,中部为拉伸状态,否则呈现相反的规律. 焊缝中心纵向残余应力随着母材宽度的减小而减小,借助3-Bar模型分析发现,当焊缝一侧的母材宽度小于59 mm时,焊缝中心线的残余应力为压缩状态.     

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和原理的传统观点,认为焊接时焊接时生压缩塑性变形,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,提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,应变陡降。焊缝消除应力的原理在于用塑性应变减少甚至找消弹性应变,在一般情况下是用拉伸塑性应变减少     

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.     

钛合金焊接过程应力应变特点分析

采用有限元分析和试验测试相结合的方法对钛合金薄板钨极氩弧焊的焊接应力应变进行分析.结果表明,在焊接不均匀加热和冷却的综合过程中,熔池金属是在周边已经产生了压缩塑性应变的框架内熔化,并在已经发生了压缩塑性应变的近缝区框架内冷却.焊缝冷却过程中,在"力学熔化"区间,有拉伸塑性应变的卸载过程,但残余状态仍保留了压缩塑性应变.焊缝在冷却、凝固降温过程中,其纵向拉应力的峰值始终低于材料在相应温度下的屈服强度,直至残余状态.     

关于焊接塑性应变的计算与讨论

采用数值模拟的方法计算了平板熔焊对接接头的纵向塑性应变的分布和动态演变过程.就目前学者所提出的焊缝存在的拉伸塑性应变的观点与传统的残余压缩塑性应变理论所存在的分歧,对比了考虑熔化现象和不考虑熔化现象两种情况,分析了焊缝中心和热影响区焊接准稳态时纵向塑性应变的变化规律.结果表明,考虑熔化现象和不考虑熔化现象纵向塑性应变结果基本相同,在焊接加热过程中所产生的压缩塑性应变始终大于冷却过程中所产生的拉伸塑性应变,在考虑熔化现象的情况下,其热影响区也始终处于压缩塑性应变状态,只是在移动热源经过后,其压缩塑性应变值在冷却的过程中有所减小.     

300M钢电子束预热与焊接复合加工后的残余应力测试

采用盲孔法测量了电子束预热与焊接复合加工300M超高强度钢板的残余应力分布。结果表明,垂直于焊缝方向的纵向残余应力以拉应力为主,横向残余应力以压应力为主,焊缝中心的最大纵向和横向残余应力分别为34.3和9.2 MPa;最大残余拉应力峰值出现在母材区,其应力值约为208.3 MPa,远低于母材屈服强度。沿焊接方向残余应力变化不大,可近似认为其分布基本稳定。     

焊接塑性应变演变过程——低碳钢、不锈钢及钛合金塑性应变演变特点及规律

采用数值模拟方法对低碳钢、不锈钢及钛合金3种材料薄板电弧焊接塑性应变演变过程进行了分析.结果表明,在焊接过程中,焊缝及近缝区内无论是纵向塑性应变还是横向塑性应变均为压缩塑性应变,熔池凝固及高温区冷却产生的拉伸卸载不足以完全抵消加热过程产生的压缩塑性应变,最终残留在焊缝及近缝区内的塑性应变仍保持压缩状态,压缩塑性区的宽度明显宽于材料"力学熔化"区宽度.     

New technique to control welding buckling distortion and residual stress with non-contact electromagnetic impact

Abstract

A new technique using non-contact electromagnetic forces has been proposed for controlling welding buckling distortion and residual stresses in welded thin plates. The experimental results show that the method can successfully eliminate the buckling distortion and reduce the residual stresses. Three-dimensional finite element modelling has been developed to study the evolution of the stress and strain throughout the welding and electromagnetic impacts. The predicted welding distortion and residual stresses are in good agreement with the experimental results. The numerical analyses show that the reduction in distortion and stress is a result of the change of the plastic strain field in the weld region: electromagnetic impacts reduce longitudinal compressive plastic strain in the local region near the weld, and even produce the tensile plastic strain. Moreover, it is found that the residual stress can promote the changes of the longitudinal plastic strain state under electromagnetic impact.     

铝合金薄板焊件纵向塑性应变场的数值模拟

利用弹塑性有限元分析软件对普通焊件的纵向塑性应变场进行了模拟.结果表明,对于尺寸为200 mm×100 mm ×2 mm的2A12T4铝合金薄板填丝对接焊件,其焊缝部位只存在纵向拉伸塑性应变;在靠近焊缝的区域,既存在纵向压缩塑性应变,也存在纵向拉伸塑性应变;在焊缝长度方向纵向残余塑性应变的分布不均匀,在靠近起弧端和收弧端的区域呈现复杂的分布特征.焊接过程中温度场的变化和热源旁侧金属受力状况的不同是近缝区金属纵向塑性应变不均匀分布的原因.     

焊接塑性应变演变过程——不锈钢薄板焊接塑性应变演变过程

采用数值模拟方法对不锈钢薄板电弧焊接塑性应变演变过程进行了分析.结果表明,在焊接过程中焊缝及近缝区内无论是纵向塑性应变还是横向塑性应变均为压缩塑性应变,熔池凝固冷却产生的拉伸回复不足以完全抵消加热过程已产生的压缩塑性应变,最终残留在焊缝及近缝区内的塑性应变仍保持压缩状态,压缩塑性区的宽度明显大于材料"力学熔化区"宽度.     

焊接应力变形原理若干问题的探讨(二)

提出焊接残余应力形成和消除原理:焊接残余应力不是压缩塑性应变引起的,而是由于焊缝和近缝区金属在"力学熔点"及以下温度冷却收缩受阻产生的;消除焊接残余应力不是产生拉伸塑性应变以减少、抵消和补偿压缩塑性应变,而是将残余弹性应变转变为塑性应变;消除焊接残余应力并不是必须去除固有应变,部分去除或完全不去除固有应变也能完全消除残余应力.提出随焊后热精确控制应力变形焊接法,既可实现无应力焊接和无应力无变形焊接,也可实现适当压应力无变形焊接和较大压应力微变形焊接;并对传统方法与有限元法进行了分析比较.     

关于焊接应力变形两个问题的进一步探讨

讨论了焊缝是否存在压缩塑性变形问题和拉达伊D应力应变原理图存在的问题。指出刚刚经历熔化—凝固过程的焊缝不存在压缩塑性变形 ,一直承受拉伸塑伸变形。拉伸塑性变形区的范围要比拉达伊D的原理图上给出的大得多 ,对拉达伊D的原理图进行全面修改 ,提出新的焊接热应力应变原理图。在新原理图中 ,三组曲线分别是升温—降温、压缩—拉伸和拉伸弹性—塑性变形的分界线。将等温线所处的温度明确为熔点 ,它包围的区域为熔池。取消弹性卸载区的提法 ,改为弹性变形区。整个焊接板由弹性变形区、压缩塑性变形区、拉伸塑性变形区和熔池组成。     

2195-F态铝锂合金TIG焊和FSW焊后残余应力分析

采用盲孔法和压痕法,分别对2195-F态铝锂合金手工TIG焊和FSW焊后残余应力进行测量. 结果表明,盲孔法的测量值普遍高于压痕法. 两种焊接方法,近焊缝区的纵向应力均高于横向应力;横向应力整体表现为压应力或小于50 MPa的拉应力;纵向应力在热影响区附近表现为大于焊缝的拉应力. 焊缝区附近,手工TIG焊纵向残余应力大于FSW,且纵向残余应力表现为较大的拉应力,最大值接近于接头的屈服强度;焊缝区外,手工TIG焊和FSW残余应力值相差不大,其横向残余应力基本表现为很小的拉应力或者压应力.