基于相位-频率测量的材料残余应力超声表征方法*

针对材料中残余应力无损检测的问题,提出一种基于相位-频率关系测量超声信号传播时间的方法,并以声弹性理论为基础,采用纵波和横波相结合的测量模式,建立残余应力的超声测量方法。该超声测量方法应用于焊接接头的残余应力测量,不仅能够表征两轴方向上的残余应力,而且还适用于短距离声时的精确测量,测量精度达到9 mm试样距离上0.3 ns的分辨率(加载应力为20 MPa)。制作16Mn钢材料的焊接接头,并采用所提出的超声测量方法对焊接接头的残余应力分布进行测量。同时,采用理论计算、X射线衍射技术等分别对16Mn钢材料的声弹性参数及焊接接头残余应力分布进行验证测量。研究结果表明基于相位-频率精确测量声时的残余应力超声测量方法具有较高的应力分辨率和较好的测量稳定性,可适用于焊接接头两轴方向上的残余应力表征。     

用小孔释放法测量焊接高残余应力时孔边塑性变形对测量精度的影响及修正方法

研究了用小孔释放法测量焊接残余应力时孔边的塑性变形对测量精度的影响。根据弹塑性理论分析了孔边屈服的条件，并据此得到了孔边屈服后应变释放系数的修正公式，使小孔释放法测量焊接残余应力的精度得到提高，并且扩大了应力值的测量范围。对平板对接埋弧焊焊接接头残余应力的实测表明，修正后的残余应力分布更趋于合理。     

用小孔释放法测量焊接高残余应力时孔边塑性变形对测量精度的影响及修...

研究了用小孔释放法测量焊接残余应力时孔边的塑性变形对测量精度的影响。根据弹塑性理论分析了孔边屈服的条件，并据此得到了孔边屈服后应变释放系数的修正公式，使小孔释放法测量焊接残余力的精度得到提高，并且扩大了应力值的测量范围。对平板对接埋弧焊焊接接头残余应力的实测表明，修正后的残余应力分布更趋于合理。     

SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接接头残余应力及变形研究

作为一种新型焊接方法,局部真空电子束焊接常被用于制造厚大的奥氏体不锈钢焊接接头,而该类接头的焊接残余应力和变形问题受到广泛关注。对板厚40 mm的SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接的对接接头进行了研究,并利用光学显微镜表征接头的组织形貌,利用显微硬度计测量接头的硬度分布,采用盲孔法装置和三坐标测量仪测量了接头的残余应力与面外变形。同时,基于ABAQUS有限元软件平台,通过编写用户子程序开发了一种复合热源模型来模拟局部真空电子束焊接过程中的热输入。采用所开发的“热-弹-塑性有限元”计算方法,模拟了接头在局部真空电子束焊条件下的残余应力与变形,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了所开发的“热-弹-塑性有限元方法”的有效性。同时基于数值模拟结果,还详细讨论了局部真空电子束焊厚板对接接头的残余应力分布与焊接变形特征。     

熔敷顺序和管壁厚度对异种钢管板接头焊接残余应力与变形的影响

异种钢焊接接头广泛应用于机械、化工、电力和交通等领域的装备制造中,由于异种钢接头的材料不同,焊接过程中产生的残余应力分布十分复杂,但关于异种钢焊接接头残余应力的研究还很不充分。以SYSWELD有限元软件为平台,开发用于模拟异种钢焊接接头残余应力与变形的热-弹-塑性有限元计算方法。基于此方法,以异种钢管-板焊接接头为对象,研究不同熔敷顺序和管壁厚度对接头焊接残余应力与变形的影响。在数值模拟过程中,针对不同类型的材料采用不同的本构模型来模拟材料的力学行为。采用接触式三维坐标测量仪测量焊接接头特征位置的变形量,验证有限元计算方法的有效性。研究结果表明,管板接头的残余应力分布受熔敷顺序的影响十分显著,变形分布形态也在一定程度上受到了熔敷顺序的影响。随着管壁厚度的增加,圆管径向变形量反而减小,周向残余应力的峰值有所增加,同时圆管与焊缝异材界面处的周向残余应力梯度也明显增大。开发的数值模拟方法将是预测异种钢焊接接头残余应力与变形的有力工具,模拟结果将为焊接结构的健全性评价供理论支撑。     

高密度聚乙烯塑料压力管道热板焊接头应力分布有限元分析

基于热粘弹性积分型本构关系,考虑材料性能依赖于温度变化及相变潜热的影响,利用AN SYS热-力耦合及载荷步功能模拟结晶型高密度聚乙烯(HDPE)塑料压力管道热板焊接过程,并对焊接接头的应力分布进行有限元分析,得到了环向、轴向以及径向瞬态应力分布的基本规律。采用盲孔法和锯切法测量焊后残余应力,实测结果与数值分析基本符合     

16Mn钢焊接件疲劳裂纹扩展特性研究

本文研究了16Mn 钢焊接接头疲劳裂纹扩展特性。结果表明:影响焊接接头裂纹扩展速率的因素是焊接接头的残余应力和金相显微组织。当应力比 R<0.6时,残余应力是影响焊接接头疲劳裂纹扩展速率的主要因素,显徽组织次之;当应力比达到0.6时,残余应力影响减弱。根据实验结果提出了焊接接头疲劳裂纹扩展速率的预测模型,与实测结果相近,具有一定的实用价值。     

超高强耐磨钢NM500多层多道对接接头残余应力的研究

基于SYSWELD软件平台,以新型NM500钢的多层多道对接接头为研究对象,开发一种考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合计算方法来模拟对接接头的温度场、组织体积百分数以及焊接残余应力。同时,采用光学显微镜观察对接接头的显微组织,采用显微硬度计测量接头硬度分布,以及采用小孔法测量对接接头表面残余应力。数值模拟结果与试验测量结果的比较表明：使用实际焊接热输入模拟得到的对接接头超过冶金熔点以上的温度区域与实际焊接接头熔化区吻合较好;纵向残余应力峰值位于紧邻热影响区的母材上,其值约为1 600 MPa,与母材的常温屈服极限相当;横向残余应力在焊缝厚度方向呈现“拉-压-拉”的分布形态。总体而言,数值模拟得到纵向及横向残余应力的大小及分布与试验测量结果吻合较好,验证了“热-冶金-力学”耦合计算方法的有效性。基于数值模拟结果,探讨了NM500钢多层多道对接接头焊接残余应力的形成机理。     

坡口形式对Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形的影响

近年来,异种钢焊接接头在工业应用上越来越广泛。在焊接中、厚板的异种钢接头时,为了获得全焊透接头通常需要在工件上准备坡口。由于坡口处需要填充焊缝金属,因此不同的坡口要采用不同的热输入和焊道布置。理论上而言,不同热输入和焊道布置对焊接残余应力与变形会有影响。采用数值模拟与试验手段相结合的方法研究坡口形式对Q345与SUS304异材对接接头的残余应力与变形的影响。以有限元软件ABAQUS为平台,开发热-弹-塑性有限元数值计算方法来模拟板厚为10 mm的V形和X形坡口Q345/SUS304异种钢平板多道焊对接接头的温度场、应力场和焊接变形。采用盲孔法测量V形坡口接头表面的焊接残余应力;分别采用游标卡尺和三坐标仪测量V形和X形坡口接头的横向收缩和角变形。通过比较可知,不论是焊接残余应力还是焊接变形,计算结果与试验结果都吻合较好,验证了计算方法的有效性。研究结果表明,在Q345母材与焊缝交界处的应力分布均出现不连续的现象,而且接头中SUS304侧的高拉伸残余应力区域明显宽于Q345侧。数值结果表明,坡口形式对纵向残余应力的峰值影响较小,而对横向残余应力的峰值有一定影响。试验和数值模拟结果显示V形坡口接头的横向收缩和角变形明显大于X形坡口接头的值。     

合并焊道法对SUS304不锈钢平板对接接头焊接残余应力计算精度和效率的影响

厚大不锈钢焊接接头广泛应用于核电、火电和化工等行业中,焊接残余应力一直是一个被关注的焦点问题。随着计算焊接力学理论的日臻成熟,采用有限元方法来模拟焊接残余应力已经成为了可能。但是由于计算机硬件条件的限制,目前的计算效率还难以满足实际工程的需求。基于ABAQUS有限元软件平台开发高效的瞬间热源模型来模拟板厚为25 mm的对接接头的热输入,并与移动热源模型的计算结果进行比较。为了进一步提高计算效率,基于奥氏体不锈钢母材和相应填充材料的性能特点,尝试采用不同的焊道合并方式来缩短焊接温度场和应力场的计算时间。同时,还采用应力释放法测量板厚25mm、焊道数为17道的平板对接接头的残余应力分布,并将数值模拟结果与实验结果进行比较。结果表明,采用瞬间热源模型可较精确地模拟焊接残余应力的分布和大小,计算时间与移动热源模型相比可以大幅缩短。此外,采用数值模拟方法研究合并焊道法对板厚为75mm的对接接头残余应力计算结果的影响。数值模拟结果表明,焊道合并方式对纵向残余应力的计算结果影响较小。对横向残余应力而言,焊道合并方式对计算精度有较显著的影响,表层焊道合并方式严重低估了表面横向残余应力,而内部焊道整体合并方式虽然略微低估了表面横向残余应力,但能较好地预测接头上、下表面的横向残余应力分布与大小。采用瞬间热源模型再结合焊道合并方式是一种解决厚大焊接接头残余应力计算的有效手段。     

搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊焊接接头的残余应力

利用X射线衍射法测量了铝合金搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊(TIG)焊接接头表面的残余应力分布.结果表明:两种接头在焊缝区及其周围的残余应力存在着明显的变化,在平行于焊缝方向,应力呈"W"型的分布,焊缝外残余应力值迅速下降;钨极氩弧焊焊接接头残余应力的最大值位于热影响区;在热影响区,搅拌摩擦焊接接头残余应力平均值比TIG焊接接头的约低15%～25%.     

铝-钢异种金属CMT焊接接头应力场的数值模拟

利用ABAQUS有限元软件对铝-钢异种金属冷金属过渡(CMT)焊接过程中焊接接头应力分布进行了数值模拟,分析了应力分布的变化规律,并进行了试验验证。结果表明:不同焊接时间下,焊接接头在钢板和铝合金板侧的von Mises应力分布不对称,其中铝合金板侧承受的应力较钢板侧的小;在焊接过程中,近焊缝处的纵向应力由压应力转变为拉应力,横向应力在焊初始阶段为拉应力,随后变为压应力,再转变为拉应力;在铝合金板侧和钢板侧热影响区的纵向残余拉应力最大,分别为125,208 MPa,位于铝合金板侧和钢板侧的横向残余压应力峰值几乎相同,约为80 MPa;残余应力分布模拟结果与试验结果的拟合优度为0.75,证明了模拟结果的准确性。     

焊接顺序对X80钢管道B型套筒熔化极活性气体保护电弧焊接残余应力的影响

基于X80钢大尺寸管道与B型套筒间熔化极活性气体保护电弧焊环焊缝的热源与本构方程,建立焊接接头的有限元模型,模拟了左右两端同时焊接、左右两端交替焊接以及左右两端先后焊接3种焊接顺序下焊接接头的残余应力分布,并通过盲孔法验证模拟结果的准确性,讨论了焊接顺序对焊接残余应力的影响规律。结果表明：焊接接头的最大残余应力均位于外壁面距盖面焊道1.8～3 mm内,不同焊接顺序下管道和套筒左右两端残余应力分布规律相近;左右两端同时焊接顺序下管道和套筒的峰值残余应力最大,均位于外壁起焊点附近;有限元模拟结果与试验结果的相对误差小于9.15%,模拟结果较准确;左右两端先后焊接顺序对最大焊接残余应力的影响程度最小。     

奥氏体不锈钢纵向焊接残余应力分布的有限元模拟

以LED集鱼灯基板与灯壳的搭接接头为例,建立了热力学耦合的三维有限元模型,运用SYSWELD焊接专业软件,对316L奥氏体不锈钢薄板焊接件在不同焊接条件下纵向残余应力分布进行有限元模拟与分析,研究了预热温度和焊接顺序对纵向残余应力分布的影响,并将模拟结果与实测结果进行了对比。结果表明:采用预热可以有效降低焊接件的纵向残余应力;随着预热温度的升高,纵向残余应力降低;焊接顺序对纵向残余应力的影响不大;模拟结果与实测结果比较吻合,验证了计算用模型的准确性。     

焊接残余应力测试方法的研究

在同一焊接试板同一部位分别用钴孔法及X衍射法测量焊接残余应力,通过分析对比发现钻孔法测试残余应力结果是可信的,而X射线衍射法所测得的残余应力值应减去钢板表面原有的轧制残余应力后才是焊接残余应力。本文还把上述两种方法的测试结果与Masubuchi提出的对接焊缝内纵向残余应力的分布进行比较,提出了工程中估算残余应力的方法。     

焊接残余应力对超声波冲击处理焊接接头疲劳性能的影响

采用含高值焊接残余应力的非承载纵向角接接头进行了Q235B钢焊态与超声波冲击态的疲劳对比试验,研究了焊接残余应力对超声冲击处理焊接接接头疲劳性能的影响规律。结果表明:焊接残余应力对超声波冲击处理后焊接接头疲劳性能的影响较小。使用不含高值焊接残余应力的小试件来评估超声波冲击处理对相同接头形式及板厚的大型焊接结构疲劳性能的改善程度可能是偏于安全的。     

基于电磁加载的铝板应力超声检测

针对低应力条件下超声检测方法空间分辨率与检测精度相互制约的问题,提出了基于电磁加载的超声应力检测方案。通过对金属板进行电磁加载,将电磁应力与板内应力相叠加,间接增强声弹性效应,在保证应力测量精度的前提下缩短超声测量声程,使得应力检测的空间分辨率得以提高。设计了用于金属板材的电磁加载装置及配套的脉冲激励电源,基于有限元仿真分析了电磁加载系统对铝板的应力加载效果。搭建了铝板电磁加载实验平台,通过对比传统方法与电磁加载下超声应力检测的结果,验证了方案的可行性。     

电磁超声单向应力横纵波联合测量方法研究

针对单向应力检测时厚度不均匀及拉伸变形等严重影响应力检测精度的难题,提出一种电磁超声横纵波联合测量单向应力的方法.通过基于洛伦兹力换能机理,优化设计出电磁超声纵波与横波探头,可有效提高回波信号的信噪比与幅值大小.分析了纵波与横波应力-声时差关系,建立了横纵波联合的单向应力电磁超声测量模型.利用自制的铝合金7075螺栓模拟件,开展了单向应力-声时差系数标定及横纵波联合应力测试实验,并与基于应变片的实测值进行了比较,验证了所设计电磁超声探头和应力测量方法的有效性.     

焊接残余应力的小孔法测试

应用小孔释放法对系列手弧焊接接头的焊接残余应力分布进行测试，讨论了焊接残余应力的分布规律及其相关影响因素，对加载法消除焊接残余应力的效果进行了初步的验证。结果表明，焊接接头的应力不均匀性和不确定性是影响钢制压力容器安全性的关键，采用加载法可以有效地改善这种非均匀应力分布状况。     

热源偏移对钢/铝异种材料等离子弧焊接接头温度场和残余应力的影响

采用有限元模拟方法研究了热源偏离钢铝界面的距离(热源偏移距离)对钢/铝异种材料等离子弧焊接接头温度场和残余应力的影响,并进行了试验验证。结果表明:钢/铝异种材料焊接接头温度场呈非对称分布,钢侧温度梯度小于铝侧的;随着热源偏移距离的增加,接头钢侧温度升高、熔宽增大,铝侧则相反;接头铝侧残余应力主要为拉应力,钢侧近界面处的残余拉应力随着热源偏移距离的增大而减小,最后变为压应力,远离界面处的残余应力主要为压应力;实测残余应力与模拟结果的相对误差小于8%,且残余应力状态与模拟结果相符。