gj钢焊接方管截面残余应力的测定和分析

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1、1绪论1绪论1.1残余应力残余应力是钢材和钢构件在生产、制造过程中受机械力或者不均匀冷却作用引起残余塑性变形所产生并在结构加载前自身保持平衡的一种内应力。1.1.1焊接残余应力产生的原因焊接残余应力产生时的原因，在实际情况下是相当复杂的，应力的大小与分布因焊接焊件的形状、尺寸、焊接方法等而异，就其产生原因及过程关系由文献[1]可知有下列三种情况。①焊接热应力是因为焊接时热源是移动的，对金属焊件进行局部的不均匀加热和冷却，在材料内某些部分就会存在温度梯度。在加热过程中不均匀的焊接温度场使金属热膨胀受阻，从而在加热区形成了局部的压缩塑性变形区；在冷却过程中，受压缩的塑性变形区的金

2、属收缩受阻，于是由加热和冷却的温度梯度而产生了焊接热应力，这是焊接残余应力起主导作用的部分。②约束应力是焊前加工状况造成的，由于约束不同，不均匀的作用力及焊件内部组织的浓度差或晶粒的位向差等，使各部分显示出不同的屈服行为而引起焊件的不均匀变形产生了约束应力。③相变应力是焊接过程对金属焊件局部不均匀加热和冷却导致金属组织的变化而引起的体积变化，产生了相变应力，相变部分的宽度与残余应力产生的状况直接相关。例如，在压力容器制造过程中返修焊接部位，相变部分加宽，则焊接残余应力较其它部分大些。1.1.2焊接残余应力对焊接结构的影响由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却过程，受焊缝及其

3、附近焊缝区温度场的影响，焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力应变场。在服役过程中，焊接结构的残余应力和其所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重分布，这不但会降低焊接结构的刚度和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。现代大工业生产与新技术的迅猛发展，对焊接技术提出了更高的要求。焊接残余应力与变形是直接影响结构焊件性能、安全可靠性的重要因素，它在一定条件下，会对结构的断裂特征、[2]疲劳强度和尺寸形状精度等产生非常不利的影响。①对结构刚度的影响。在结构中某区

4、域的残余应力叠加之和达到屈服点，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外荷载的能力，造成结1重庆大学硕士学位论文构的有效截面积减小，结构的刚度也会随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝)，或经过火焰校正，都可能在相当大的截面上产生残余拉应力。虽然在焊件上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍有较大的影响，特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，其加载刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。②对受压杆件稳定性的影响。当外荷载引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和达到材料屈服强度时，这部分截面就丧失进一步

5、承受外荷载的能力，这样就削弱了杆件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。残余应力对受压焊件稳定性的影响大小与残余应力的分布模式有关。③对静载强度的影响。如果是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，焊件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的强度极限，发生局部破坏，最后导致整个焊件断裂。脆性材料残余应力的存在会使承载能力下降，导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向残余拉应力的作用，会阻碍塑性变形的发展，也会大大降低焊件的承载能力。④对疲劳强度的影响。残余应力的存在使变荷载的应力循环发生偏移，这种偏移只改变其平均值，不改变其幅

6、值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关。当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低；反之则提高。因此，如果应力集中处存在残余拉应力，疲劳强度就会降低。应力集中系数越高，残余应力的影响就越显著。所以提高疲劳强度，不仅应从调节和消除残余应力着手，而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。⑤对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响。把一部分材料从焊件上切除时，此处的应力也被释放。残余应力的原来平衡状态被破坏，焊件产生变形，加工精度受影响。组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在室温下的应力松弛微弱，因此内应力随时间的变化较小，焊件尺寸比较稳定。低碳钢在

7、室温下长期存放，数值为屈服应力σ的原始应力可能松弛2.5%~3%，如果原始应力较低，则松弛的比so值将有所减少，但若环境温度升高至1000C，松弛的比值将成倍增加。⑥对应力腐蚀开裂的影响。应力腐蚀开裂时残余拉应力和化学腐蚀共同作用下产生裂缝的现象，在一定的材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间和残余应力大小有关，残余拉应力越大，应力腐蚀开裂所需的时间越短。1.2焊接残余应力的数值模拟1.2.1焊接残余应力数值模拟的国外研究现状焊接过程应力和变形的研究工作始于二十世纪三十年代，但研究工作只是定21