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.     

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...     

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.     

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。     

焊接应力场与应变场的计算与讨论

经典的观点认为焊缝存在残余压缩塑性应变,而目前有学者认为焊缝是在冷却的过程中形成的,与加热过程无关,认为焊缝只存在拉伸塑性应变,而不存在压缩塑性应变.针对这一对传统残余塑变理论的质疑,采用有限元方法对薄板熔焊对接接头纵向应力和应变的瞬态变化以及由焊缝中心到母材边缘的纵向应力和应变分布情况进行了计算.结果表明,焊缝及近缝区存在着残余压缩塑性应变,应力状态为拉应力,由焊缝中心到母材边缘其纵向应力由拉应力转变为压应力,纵向压缩塑性变形量逐渐下降,离焊缝较远受温度场影响较小的母材不产生塑性变形.     

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。     

关于焊接残余应力形成机制的探讨

分析了关于焊接残余应力形成过程描述的传统观点的局限性和不足,指出材料力学的“截面法”不能用于分析横向残余应力分量。认为在不考虑材科相变的前提下,焊缝金属冷却时收缩受制也是导致焊接残余应力产生的重要原因。虽然残余压缩应变和残余收缩应变在导致焊接残余应力产生的作用方面是等价的,但其机理却有本质的不同,区别二者有利于研究和开发新的焊接残余应力调控技术。对固有应变理论进行了分析和补充,认为应统一到拉伸塑性应变上。用钢板上堆敷锡钎焊焊道的方法,在母材温升值低于塑性应变所需温差的条件下,由盲孔法测得了板上大范围分布的高值残余应力,且因焊道和母材的线膨胀系数差异较大,其应变测试值与环境温度有关。     

局部外加载荷对TC4焊接纵向残余应力影响的有限元分析

TC4因其优良的力学性能和工艺性能而被广泛地使用,但是由于在焊缝及近缝区的塑性压缩变形导致焊接件中存在绝对值较大的焊接纵向残余压应力和焊接变形,其根本原因在于纵向焊接残余压应力超过了TC4薄板件的临界失稳应力。为了减少焊接变形及其所导致的附加弯矩,采用随焊冲击旋转挤压的方式对焊缝及近缝区进行塑性延展。其中跟随焊接热源移动的外加载荷将对焊接过程中的应力应变过程产生影响。采用有限元方法分析局部外加载荷对焊接残余应力及焊接瞬态应力应变的演化过程的作用,分析结果说明在外加载荷的作用下产生了塑性延展,降低了焊接残余应力,从根本上消除了导致焊接变形的因素。     

焊接应力变形原理若干问题的探讨(一)

在焊接加热和冷却过程中,组成焊件的小窄条之间不可能存在完全刚性拘束,端面不可能保持平面,会分别产生凸出和凹进,平截面假设不成立.不用平截面假设也可以得到类似的焊接残余应力分布.焊缝不存在残余压缩塑性应变,只存在拉伸应变,焊缝和近缝区残余压缩塑性应变分布和大小的传统观点不成立.提出新的近似用熔池最宽处温度分布表示的拉伸塑性应变分布原理图及其相应的计算公式.     

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.     

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.     

实时超声冲击消减焊接残余应力

为了消减焊接残余应力,在焊接时对熔池后方焊缝的背面进行超声冲击.结果表明,实时超声冲击能够有效地消减焊接残余应力,其消减焊缝纵向残余应力比消减横向残余应力的效果显著.当在弹塑性转变温度区进行冲击,且冲击头直径较小、形状为球冠形时,消减焊接残余应力的效果更好.实时超声冲击消减焊接残余应力的机理是:在焊缝背面施加超声冲击能使焊缝正面产生拉伸塑性变形,抵消更多升温膨胀时所产生的压缩塑性变形,从而消减焊后的残余应力.     

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。     

用旋转挤压方法控制薄板的焊接变形

提出了旋转挤压控制薄板焊接变形的新方法,它足利用特定形状的挤压头对焊缝及近缝区金属进行旋转挤压,产生拉伸塑性应变,减小甚至抵消残余压缩塑性应变,以此来消除焊接残余变形.该方法处理后的焊道表面平整光滑,减小了应力集中.结果表明,旋转挤压法能将薄壁构件焊接变形降到非常低的水平,选择适当的工艺参数,该方法能将焊接残余变形控制在常规焊接状态的3%以下.旋转挤压控制薄板焊接变形的效果与多个工艺参数有关,只有当各个工艺参数取值适当且匹配良好时,才能取得良好的焊接变形控制效果.     

A mechanism of formation of a single section of a vacuum discontinuous coating

A welding distortion prediction method based on the inherent strain concept is presented. In the proposed method, welding distortion of large-welded structures could be estimated by elastic analysis using the result of thermal-elastic–plastic analysis and the result of smaller welded joints or components. Thermal-elastic–plastic analysis is performed to calculate residual plastic strain distribution, which is the input data for the elastic analysis of welding distortion. The obtained residual plastic strain distribution is mapped to non-deformed finite element models to calculate welding distortion by elastic analysis. The mapping procedure is done in different ways for welding start/end parts and the rest of the weld length in order to take into consideration the unsteady strain distribution at the start/end of welds. For start/end parts, strain distribution used is identical with thermal-elastic–plastic analysis. For the part except start/end parts, strain distribution obtained by thermal-elastic–plastic analysis is extracted from the centre of weld length and is extruded along the welding direction.

The proposed method was applied to the welding distortion prediction of joints with weld length of 900 and 1200 mm based on the thermal-elastic–plastic analysis result of a joint with weld length 600 mm. The estimated results were in good agreement with the thermal-elastic–plastic analysis results of models of corresponding weld length to show the validity of the proposed method.