焊缝匹配影响焊接残余应力的研究

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1、焊缝匹配影响焊接残余应力的研究

2、第1内容加载中...林德超　史耀武［摘要］　采用有限元法对相同温度场的焊缝与母材强度和线膨胀系数匹配影响焊接残余应力的规律进行了数值模拟。计算结果表明：等强等胀匹配的焊缝区纵向残余拉应力水平高达母材的屈服强度，等强低胀匹配的焊缝区纵向残余应力水平低于母材屈服强度，等强高胀匹配的焊缝区纵向残余应力水平还与焊缝应变硬化指数有关。测试结果也证实了部分计算结果。［关键词］　有限元法；强度匹配；线膨胀系数匹配；焊接残余应力［中图分类号］TG441.3　［文献标识码］A　［］1001-4381(1999)06-0024-03S

3、tudyoftheInfluenceonis-matchingaboutthefg.Tech.Res.Institute,Beijing100024,China)SHIYao-alexpansioncoefficient(TEC)mis-matchingbetetalandtheparentmetalonthedistributionofulatedbyusingthemethodofthermalelasto-plasticfiniteelementanalysisinthispaper.Resultsoftheputationunderthe

4、sameperaturefieldshoatchedjoints,loatchedandTECundermatchedjoints.ItalsohassomethingtodoetalinthestrengthevenmatchedandTECovermatchedjoints.Theexperimentalresultsoftheresidualstresshaveverifiedsomeputationalresults.Keyent;strengthmis-matching;expansioncoefficientmis-matching;

5、m×300mm×6mm的平板，焊缝位于平板中心，材料为低碳钢。考虑到几何对称性以及采用高速移动热源作为焊接热源，本文仅取1／4进行计算。计算条件和材料参数与文献［4］相同。　　为了揭示焊缝与母材强度和线膨胀系数匹配对焊接残余应力的影响规律，假定焊缝与母材的其它性能参数相同(低碳钢母材屈服强度约250MPa，线膨胀系数为1.2×10-5/℃)，通过调整焊缝的强度和线膨胀系数可实现焊接接头等强低胀、等强等胀、等强高胀、低强等胀和高强等胀等匹配。2　计算结果及讨论2.1　等强等胀匹配焊接残余应力的分布　　在焊缝与母材等强等胀匹配时，比如σsPa，αPa

6、)和等胀高强(σSPa)匹配的焊接动态应力分布。比较图1和图2a，b可知，在焊缝冷却初期，无论低强、等强或高强匹配，由于熔化金属不能承受载荷，因而焊缝区应力均为0值，且板内应力分布基本相同。由于焊缝和母材的热胀冷缩程度与等强等胀匹配相同，因此随着焊缝的冷却，焊缝区的残余拉应力也总是能达到焊缝屈服强度，这样低强焊缝的残余拉应力水平较低，高强焊缝的残余拉应力水平较高。图1　等强等胀匹配时焊接动态应力分布Fig.1　Theatchedjoint(a)低强匹配，σsPa　　　　　　(b)高强匹配，σsPa图2　等胀匹配下焊接动态应力分布Fig.2　The

7、atchedjoint2.3　等强匹配下线膨胀系数匹配对焊接残余应力的影响　　采用强度较低的母材(如σsP=250MPa)，等强等胀匹配时焊缝中心纵向残余应力σx能达到母材屈服强度。进一步的计算表明，焊缝中心σx值与焊缝线膨胀系数αm×300mm×6mm(长×宽×厚)，焊前磨削上下两表面后在其中线上刨出一个宽8mm深4.5mm的U形坡口，并在600℃下保温2h以消除加工过程中产生的残余应力。焊条经350℃烘干1h，随烘随用。焊接规范采用表1所示参数，以保证一次焊透并得到宽度为10mm的焊缝。焊完后用手动砂轮和砂布去掉焊缝堆高，使焊缝与母材平整。采

8、用盲孔法［8］测试焊接残余应力。测试时，先在被测部位贴上电阻应变花，然后按照ASTM标准E837-85在应变花中心打出规定的小孔，以释放焊接残余应力并产生相应的应变，再由应变仪将释放的应变量进行测量和记录。根据释放应变量即可算出残余应力值，计算中采用了分级修正并考虑了加工塑性应变。所用仪器设备有：静态电阻应变仪、专用钻孔装置、特制箔式应变花(应变花的型号为BE-120-2CA)和粘贴剂HJ-61。测试结果如图4所示。由图可知，对于低碳钢母材，焊缝中心的纵向残余应力水平总能达到焊缝屈服强度σseters焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/mm/s焊条

9、直径/mm130123.0€€φ4图4　焊接残余应力σx盲孔法测试结果Fig.4　Theethod　　比较图1、图2和图4可知，本文的部