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1、锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟字体:小中大
2、打印发表于:2007-7-0209:09 作者:麦蒂 来源:中国焊接之家社区邹增大 王新洪 曲仕尧 摘要 建立锤击作用的有限元数学模型，利用该模型对白口铸铁焊补时锤击消除焊接残余应力进行实例分析。结果表明，在合适的焊接规范和工艺下，锤击不仅能有效地消除白口铸铁焊缝部位的应力，而且能促进热影响区拉伸残余应力的释放，甚至可以获得一定值的压应力。当在840℃～360℃温度区间进行锤击时，可以获得最佳效果。 关键词 锤击 有限元模型 残余应力 白口铸铁 数值模拟 中国图书资料分类法分类号 TG4
3、57．12 锤击处理很早被引入焊接领域，初期主要应用于消除焊接变形。通过观察分析，认为适当锤击可以消除和减少焊接裂纹，进而推断锤击有消除焊接残余应力的作用，因此在工艺中采用锤击处理，防止焊接裂纹的产生［1］。一般认为,锤击处理消除焊接残余应力是使被处理金属通过锤击,在体内局部产生一定的塑性伸长,释放焊接过程产生的残余拉伸弹性应变,从而达到释放焊接残余应力的目的。但由于锤击（特别是手工锤击）的不规范（锤击力的大小、频率、基体的力学性能及锤击区的温度等）及焊接残余应力准确测试的困难，故对于锤击处理与残余应力的关系,至今尚没有一个科学的和系统的研究
4、［2］。 笔者通过建立锤击处理的有限元数学模型，模拟分析锤击工艺与消除残余应力的关系。1 锤击作用的有限元数学模型 根据数值分析在焊接中应用的基本理论［3］，有外力作用时的有限元增量表达式为 ［K］e{du}e={dR}e+{dF}e (1)式中，［K］e为单元刚度矩阵；{du}e为单元位移；{dR}e为由温差引起的等效节点载荷；{dF}e为由外力引起的等效节点载荷,在此指由锤击作用产生的载荷。1.1 锤击作用力的简化 单锤重击的波形［4］见图1a，将其简化为正弦波见图1b，并表达锤击
5、力 (2)式中,τ为载荷持续时间；P为锤击力峰值。 假设1 锤击力不是通过某个点传递到焊件,而是通过一定的作用面积均布在锤击作用区，锤击强度 p=P(t)/A (3)式中，p为作用在锤击区的锤击强度；P(t)为瞬时锤击力；A为锤击的作用面积。 假设2 锤击作用于焊件是以焊缝中心为对称轴,呈轴对称分布。 (a)单锤重击波形 (b)简化波形 图1 锤击力波形示意图1.2 锤击作用的有限元模型图2
6、内边界三角单元示意图 为便于分析,用简单的三角单元来描述模型。对于锤击作用下的边界单元,规定单元只有一条边jm落在界面上，见图2。 (4)式中，分别为jm、jn、nm的长度；△为三角单元的面积；△j、△m为与j、m节点对应的三角形面积；(r,z)为节点坐标；Nj、Nm为形函数。 令ξ=，当点n(r,z)落在边上时有 Ni(r,z)=0 Nj(r,z)=1-ξ Nm(r,z)=ξ (5)式中,0
7、≤ξ≤1,当ξ=0,对应j点,当ξ=1,对应m点。ds=sidξ,而,并认为(为节点j、m径向坐标的平均值)。 为常数阵,由压力引起的载荷 (6)图3 边界表面力作用示意图 通常认为表面力是垂直作用于边界上的，见图3。 (7)将式(7)代入式(6)可得有限元计算公式 (8)2 计算实例 实际的焊补试件(见图4),母材为白口铸铁,填充材料采用专用焊条BT—1一次焊满。同时假定焊接热过程的所有输入热量在一定时间内全部均匀
8、地加在补焊焊缝上，即作内热源处理。试件的上下表面及周界，作为散热边界条件处理。焊接规范为焊接电流I=180A,电压U=29V,焊接时间t=30s。以焊缝中心轴为对称轴，取试件四分之一进行分析。采用三角单元对构件进行离散，单元总数为540,节点总数为304。边界条件为底面及对称轴为简支支撑,其它面为自由边界。图4 试件形状及尺寸示意图 本实例所用的基本参数见文献［5］。 图5是在锤击力为500.0N,锤击点的温度区间为840℃～360℃,锤击频率为2次/s时残余应力计算值与采用盲孔法测的残余应力值进行的比较。可以看出,计算结果与测试结果基本吻
9、合。但由于锤击模型的假设为“均布”作用（锤头为平头）与实际的锤头为具有一定弧度的圆锥头之间有一定的差异，以及热源简化为内热源处理等原因，因此使计算有一
