關于焊接應力應變問題的分析與探討

只看該作者 · 2011-11-4 12:09:41



作者：楊建國張學秋劉雪松方洪淵摘要：傳統的觀點認為在焊縫及近縫區存在著殘余壓縮塑性應變，而近幾年有學者提出焊縫不存在殘余壓縮塑性應變，只存在拉伸應力和應變，在焊后焊縫當中不可能存在殘余壓縮塑性變形，從而對消除殘余應力的方法進行了重新論述，現根據這種新的觀點及消除殘余應力的若干問題，通過對接焊縫的數值模擬來驗證這種新觀點是否正確，并就消除殘余應力應變問題針對一些矛盾的觀點進行分析和討論。關鍵詞：殘余應力，應變，數值模擬 0序言 1965年，前蘇聯尼古拉也夫Г﹒А院士分析了焊接應力應變發展過程，其原理見圖１，在鋼板中心區為壓應力和壓應變區，而板的兩側為拉應力和拉應變區。在大約200 ℃以上的區域產生壓縮塑性變形，在600 ℃以上的區域，壓縮塑性變形為α·T ，式中α為線膨脹系數，T 為溫度［１］；此外，前蘇聯的H. O. 奧凱爾勃洛姆和C. A 庫茲米諾夫也認為焊接加熱過程中焊縫和近縫區的金屬熱膨脹應變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產生壓縮塑性應變。焊接冷卻過程中該壓縮塑性應變被拉圖1 　低碳鋼板焊接縱向應力應變分布 Fig. 1 Longitudinal stress and strain distribution patterns 伸抵消一部分，但焊后仍殘留部分壓縮塑性應變，稱為殘余壓縮塑性應變［２］［３］。并用來分析和預測焊接殘余應力和變形。從而可以看出傳統的觀點，無論是尼古拉也夫Г﹒А院士還是H. O. 奧凱爾勃洛姆和C. A 庫茲米諾夫，都認為焊縫存在壓縮塑性變形。近幾年，沈陽金屬所的王者昌研究員提出了一種新的觀點認為“對于焊縫金屬來說，并不存在加熱階段。在冷卻過程中除相變外，都受到拉伸，也就是說不存在壓縮，更不會出現壓縮塑性變形。”究竟是傳統的殘余壓縮塑性應變理論正確還是王者昌研究員的觀點正確，現以低碳鋼對接焊縫的數值模擬來分析和驗證焊縫的殘余應力和殘余壓縮塑性應變的正確性。 1．對接焊縫的數值模擬過去人們在研究焊接應力與應變方面大多采用解析法，但是由于該方法是基于平截面假設的前提下，并簡化了諸多條件和因素，進行了多種假設后而進行的計算，掩蓋了許多現象，伴隨著計算機技術在焊接研究中的廣泛應用，以數值模擬的方法來分析焊接應力應變及預測焊接變形已經成為了一種主要手段，雖然焊接數值模擬技術是從解析法發展起來的，但其可以定量地分析焊接行為的整個動態變化，能夠近于準確地演示熱彈塑性應力和應變非線性變化的復雜變化過程，由于數值模擬技術在近30年來取得的進展及在研究焊接問題上受到的認可，現在就采用數值模擬的方法來分析一下熔化焊焊縫及近縫區應力和應變情況。傳統的殘余壓縮塑性應變的觀點一直假設是線熱源對焊縫一起加熱或認為焊縫本身作為待熔化金屬的一部分，焊接不過是在已存在的焊縫上面加熱而并不熔化來研究焊縫的應力和應變問題，從而使得出的殘余壓縮塑性應變理論受到了質疑，新觀點認為加熱了卻不熔化，這種過程不能稱為焊接，即提出了必須考慮實際焊接情況，因此有了焊接應力與應變問題上的爭議，問題的提出很有實際意義，為了驗證熔化焊焊縫及近縫區在焊接過程中應力和應變情況，對薄板熔焊對接接頭進行了數值模擬，模擬試件材料采用Q235鋼作為焊接母材，尺寸為500×160×3mm，應用的模擬軟件為MSC.Marc，因焊接接頭的幾何對稱性，取寬度方向一半建立有限元模型。焊縫及近縫區網格劃分較密，而遠離焊縫的母材邊緣網格變疏，共24743個節點，16000個單元，模型見圖2。力學分析中，由于結構的對稱性，不允許垂直于對稱平面的位移，其它約束的施加防止剛體轉動即可。因為焊接過程的復雜性，采用小位移、小應變的彈塑性增量理論進行焊接殘余應力的計算。材料的物性參數與力學參數隨溫度而變，屬于材料非線性。材料的屈服判據用Von Mises屈服準則，塑性區上的行為服從流變法則，同時假設:材料各向同性;不考慮粘性和蠕變的影響。材料遵循線性硬化模式[4]。從圖3可以看出，薄板熔焊對接接頭冷卻后，焊縫及近縫區縱向存在著殘余壓縮塑性應變，驗證了傳統觀點的正確性。 2焊接殘余應力與應變問題分析與討論 2．1焊縫的殘余壓縮塑性應變與加熱過程的聯系文獻5在討論應力和應變的分布時指出：“焊縫一直承受拉伸應變,在溫度降到力學熔點以前,這種應變一直是拉伸塑性應變。當溫度降到力學熔點以后,焊縫開始出現彈性拉伸應變和拉應力。可以看出,焊縫從凝固溫度降到室溫的全過程中不存在壓應力和壓應變,更不存在壓縮塑性變形。至于熔池前沿升溫膨脹產生的壓縮塑性應變和變形,因為焊縫尚未形成,故不能算作焊縫的壓縮塑性變形。”提出了與傳統觀點不同的說法，文獻作者認為：傳統的觀點忽略了一個最基本的事實，即板中心區(焊縫及近縫區) 處于冷卻過程，而不是加熱過程，在這兩個過程中，應力應變發展過程是不同的，并提出了另一種觀點，因而認為焊接時焊縫是否存在壓縮塑性變形以及隨之而來的消除應力原理問題尚待研究。文獻5認為焊縫的形成僅與冷卻過程有關，而與加熱過程沒有關系，而沒有考慮加熱階段，但是焊縫的形成是有多種因素綜合作用的結果，加熱過程是焊縫形成的一個必要條件。是焊接行為的整個過程才積淀了最后的殘余壓塑塑性應變，殘余壓縮塑性應變是這一過程中的最終結果，如果只而不是Tm →0形成的才是焊縫，而要考證這一結果就要考慮勢必有些片面。熱影響區內金屬所產生的壓縮塑性變形是始終存在的，其對焊接應力與變形的形成同樣有重要的貢獻。為了驗證加熱過程對殘余壓縮塑性應變是否有影響，利用圖2所示有限元模型，只改變材料的加熱溫度，計算熱影響區塑性應變的瞬態變化過程，用以模擬近縫區應變演化歷程。從圖4中可以看出焊縫中心的峰值溫度為957℃，雖然高于600℃，但遠沒有達到熔點，而由此溫度場在加熱階段引起了壓縮塑性應變，而在冷卻的過程中產生了拉伸塑性應變，縱向塑性應變經歷了由壓縮塑性應變到拉伸塑性應變的轉變過程。因此加熱過程是不能忽略的。 2.2焊件縱向變形討論由于文獻5的作者始終認為焊縫不存在加熱過程，所以為了解釋焊件縮短指出了：“焊縫受拉伸，不等于此處的金屬一直受拉伸，在熔池前沿的金屬受熱產生明顯的壓縮塑性變形。這種壓縮塑性變形量與焊縫冷卻拉伸變形量相當。此外，熔池凝固還會產生大約3 %收縮。三項合在一起，總的結果是產生了收縮變形，焊件變短了。可以說焊件變短主要是由于金屬局部熔化隨后凝固收縮造成的。”現在來分析一下這個問題，焊縫受拉伸不等于此處的金屬一直受拉伸，也就是說還存在著壓縮，那么又提出這種壓縮塑性變形量與焊縫冷卻拉伸的變形量相當，這個“相當”意思也就是基本上相互抵消，可是理論依據和實驗依據不清楚，為什么會變形量相當沒有給出解釋和說明，從傳統的觀點來看壓縮的變形量和拉伸的變形量是不可能相等的，傳統觀點始終認為焊縫存在殘余壓縮塑性應變，而對接焊縫的數值模擬的結果也顯示焊縫在完成整個焊接過程后，縱向只存在著壓縮塑性應變，這也說明由于加熱過程中產生的壓縮塑性應變大于冷卻過程中產生的拉伸塑性應變，與傳統的殘余壓縮塑性應變的觀點是相吻合的，文獻5作者最后將熔池凝固產生的近3 %歸結為焊件縱向縮短著實值得商榷，而相關文獻對這3%的收縮給予了合理的解釋：“熔池凝固大約3 %的收縮，甚至材料在彈性喪失溫度以上冷卻時的收縮對最終的殘余應力和變形影響是不大的。因為此時材料處于熱塑性狀態，熱收縮應變受到周圍較冷金屬的約束被拉伸塑性應變所抵消。文獻作者忽略了一個最重要的因素，也就是焊縫金屬從高溫，特別從彈性喪失溫度冷卻至室溫時的熱收縮應變，正是該應變起著與壓縮塑性應變同樣的作用。可以說一系列質疑都是由此而引起的[7]。”這里面的分析很符合邏輯和熱彈塑性分析的基本規律，從而可以判定熔池凝固還會產生大約3 %收縮不是主要原因，其主要原因是其產生的拉伸塑性應變小于壓縮塑性應變，所以產生了殘余壓縮塑性應變，這是主要原因，而由于從液態到固態的轉變也產生的大約3%左右的收縮也是因素之一，但只是次要原因。 2.3液化裂紋形成機理討論文獻6指出：“在熔合線兩側，隨離熔合線的距離增加，縱向拉伸應變急劇減小，這就很容易解釋如圖6 所示的液化裂紋分布在熔合線兩側和裂紋很短的現象。如果按照焊縫存在壓縮塑性變形的觀點，這種裂紋就不會出現了。因為焊縫一直處在冷卻過程中，它冷卻收縮受阻，承受拉伸應變。因此除相變外，焊縫不可能出現壓應變和壓縮塑性變形。”在熔合線兩側，隨離熔合線的距離增加，縱向拉伸應變急劇減小，從而來解釋液化裂紋很短的現象，是合理的和正確的，但是對于焊縫存在壓縮塑性變形裂紋就不會出現了，這種觀點在邏輯上不能完全成立，首先焊縫產不產生裂紋和壓縮塑性變形不存在直接的邏輯推理關系，因為產生的塑性變形本身是不可逆的，在加熱過程中產生的塑性變形，在冷卻過程中已經保留了下來，在這一過程中不會產生液化裂紋，這是肯定的，而在冷卻過程中產生了拉伸塑性變形，而液化裂紋就是在冷卻拉伸的過程中產生的，關于這個問題，文獻7的給出了時間上的解釋：“在加熱過程中產生了壓縮塑性應變，而在高溫冷卻下來時，這時產生的是拉伸塑性應變，也是熔合線處產生液化裂紋等熱裂紋的原因之一，它與加熱過程中產生的是壓縮塑性應變無關。拉伸與壓縮塑性應變是在不同時刻發生的，并不矛盾。”這是符合邏輯的解釋，而關于液化裂紋很短的現象文獻8又進一步給出了細致的解釋，值得借鑒。圖6 　液化裂紋示意圖 Fig.6　Schematic illustration of liquation cracks 2.4 殘余應力和塑性變形的因果關系討論傳統的觀點始終認為由于焊后塑性分布的不均勻性分布是產生殘余應力的根源，也就是由于有了塑性變形才產生了殘余應力，多年以來持這一觀點一直得到了界內很多學者的認可，但是經典力學的觀點因為有了力才有可能產生變形，當外力超過了材料的屈服極限才會產生塑性變形，而在屈服極限以下理想的彈塑性體將恢復到原始狀態，就焊接過程而言，在熔池前沿由于移動熱源的作用，低溫區的金屬對高溫區有一個阻礙作用，在焊縫及其附近區域產生了壓縮塑性應變，而在進入熔池以后，應力趨于零點，而在冷卻的過程中，由于平衡焊縫金屬的熱收縮作用而產生了拉應力，進而產生了拉伸塑性變形，當焊縫金屬冷卻至彈性溫度以內產生了彈性拉伸應變和拉伸應力，因此作者認為：第一，應力與變形的關系為：應力是變形產生的原因或“推動力”，變形是應力作用或存在的表現，彈性變形是應力存在的表征，關系為虎克定律，塑性變形是應力達到極限狀態（屈服）表征或證據，塑性變形量不反映應力的變化情況。第二，殘余應力作為內應力在構件內自身平衡。殘余應力是構件應力分布的不均勻性的反映，這種不均衡可以使構件發生變形（即殘余變形）。第三，塑性變形是材料曾經發生屈服這一歷史經歷的記錄，不應將塑性變形看成是一種持續存在，因此塑性變形不會影響殘余應力的分布，只與彈性變形相互關聯，同時存在；第四，塑性變形量可用來描述和計算殘余應力，但不能由此認為塑性變形是殘余應力存在的原因。 3 關于消除殘余應力原理的論述首先，“消除”殘余應力的提法有些欠妥，因為在焊縫及其附近區域產生的拉應力被遠離焊縫的母材邊緣的壓應力所平衡，其焊后總的內應力為0，所謂消除殘余應力，只是改變了殘余應力的分布特征，使其分布趨于“均勻”，而應該敘述為調整，而不是“消除”。《焊接手冊》（3）在消除殘余應力方法的敘述中多次提到焊縫存在壓縮塑性變形。例如，采用溫差拉伸法時，“兩側的金屬受熱膨脹對溫度較低的焊縫區進行拉伸，使之產生拉伸塑性變形以抵消原來的壓縮塑性變形”。采用機械拉伸法時，“ 焊縫壓縮塑性變形得到拉伸并屈服，從而減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內應力降低”。采用滾壓法時，“焊后用窄輪滾壓焊縫和近縫區，可達到補償焊接所造成的壓縮塑性變形的目的[9]。”而在文獻5中，由于作者沒有考慮加熱階段，所以在這樣一個基礎上提出了“例如，對于薄板單道焊而言，機械拉伸法消除應力為通過加載拉伸，使焊縫和近縫區產生拉伸塑性變形，從而使彈性拉伸應變和拉伸應力減少。溫差拉伸法:兩側的金屬因受熱膨脹對溫度較低的焊縫區進行拉伸，使之產生拉伸塑性變形，從而使彈性拉伸應變和拉伸應力減少。滾壓法則為用窄輪滾壓焊縫和近縫區，產生拉伸塑性變形，使彈性拉伸應變和拉應力減小。”兩種論述雖然不同，但是兩者表達的意思卻都是怎樣來消除殘余應力，而焊接的殘余應力本身就為0，談不到消除的問題，所謂的消除中只是改變了內應力的分布特征。 4結論 1．焊接行為的整個過程才積淀了最后的殘余壓塑塑性應變，所以焊接殘余應力的研究應該考慮加熱過程。 2.應力與變形的關系為：應力是變形產生的原因或“推動力”，變形是應力作用或存在的表現，彈性變形是應力存在的表征，關系為虎克定律，塑性變形是應力達到極限狀態（屈服）表征或證據，塑性變形量不反映應力的變化情況，殘余應力作為內應力在構件內自身平衡。殘余應力是構件應力分布的不均勻性的反映，這種不均衡可以使構件發生變形（即殘余變形）。 3.塑性變形是材料曾經發生屈服這一歷史經歷的記錄，不應將塑性變形看成是一種持續存在，因此塑性變形不會影響殘余應力的分布，只與彈性變形相互關聯，同時存在，塑性變形量可用來描述和計算殘余應力，但不能由此認為塑性變形是殘余應力存在的原因。 4. “消除”殘余應力的提法欠妥，在焊縫及其附近產生的拉應力被遠離焊縫的母材邊緣的壓應力所平衡，其焊后總的內應力為0，所謂消除殘余應力，只是改變了殘余應力的分布特征，使其分布趨于“均勻”，而不是“消除”。參考文獻: 1．НикопаевГА. 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