锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟

锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟字体:小中大|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TG457．12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［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)=0Nj(r,z)=1-ξNm(r,z)=ξ(5)式中,0≤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，因此使计算有一定的误差；此外采用残余应力的测试也存在一定的误差：可以说明锤击模型与实际情况基本相符。(a)径向残余应力(b)周向残余应力图5残余应力计算值与实验值的比较图6是在上述规范及工艺条件下,焊补过程应力的变化情况。可以看出，锤击前焊缝及热影响区（曲线1、曲线2）均已产生双向拉伸应力,经过锤击处理后(曲线3、曲线4),焊缝及热影响的拉应力显著降低。若不进行锤击，热影响区的残余应力值已大于母材的抗拉强度，但经过锤击后的残余应力分布，在焊缝处呈现出较大的压应力,热影响区中靠近熔合区侧也表现为压应力,而母材侧虽仍为拉应力,但其值已相当小,不至于导致开裂。可以看出，不同温度下进行锤击对焊接接头的应力有很大的影响。在约840℃～360℃之间进行锤击时，锤击作用的效果最佳，可以有效地降低残余应力；在高温和低温下进行锤击，热影响区及焊缝中都存在着较大的拉伸应力，不能有效地降低焊补残余应力；锤击温度区间的温度越高，效果越差。(a)径向残余应力(b)周向残余应力焊接时间：曲线1.t=30s曲线2.t=41s曲线3.t=53s曲线4.t=冷却至室温时间图6焊补锤击时表面应力变化过程图7是在相同锤击力和频率为2次/s,不同锤击温度区间的残余应力图。(a)径向残余应力(b)周向残余应力曲线1.无锤击作用曲线2.600℃T1000℃曲线3.300℃T650℃曲线4.360℃T840℃图7不同锤击温度区间锤击时上表面残余应力的分布图8是同一锤击温度区间(840℃～360℃)不同锤击力作用下进行锤击后,上表面的径向应力、周向应力的变化情况。可以看出，随着锤击力的增加，焊缝表面的残余应力进一步下降,中心处产生很大的压应力,熔合线（r=10mm）附近靠焊缝侧也产生的一定值的压应力。此外熔合线附近的应力随着锤击力的增加而降低的值不如焊缝处显著。从以上分析可知，白口铸铁焊补时锤击是一种有效的消除应力方法,在合适的规范和工艺下,热影响区的残余拉伸应力可有很大降低,甚至可获得一定值的压应力。在合适的焊接规范和锤击力作用下,840℃～360℃温度区间锤击作用效果最佳,可以有效地降低焊接应力。(a)径向残余应力(b)周向残余应力锤击力：曲线1.P=200.0N曲线2.P=500.0N曲线3.P=700.0N曲线4.P=900.0N图8不同锤击力作用下上表面的残余应力分布*山东省自然科学基金资助项目(Y95F0881)作者简介：邹增大男，1941年生。山东工业大学（济南市250061）校长、教授、博士生导师。中国机械工程学会焊接学会常务理事、山东省科协副主席、享受国务院政府特殊津贴。主要从事焊接冶金及金属焊接性、陶瓷与金属连接等方面的研究。曾获国家发明二等奖、国家发明三等奖。发表论文50余篇。王新洪曲仕尧济南市250061山东工业大学作者单位：邹增大山东工业大学（济南市250061）王新洪曲仕尧济南市250061山东工业大学参考文献1拉达伊.D.焊接热效应.熊第字译.北京：机械工业出版社，1997：320～3212［日］增渊兴一.焊接结构分析.张伟昌译.北京:机械工业出版社,1985：205～2463陈楚.数值分析在焊接中的应用.上海：上海交通大学出版社,1985：258～2864王运赣.系统动力学.武汉:华中理工大学出版社,1991：97相贯线焊缝纵向收缩对法兰平面影响的的数值分析字体:小中大|打印发表于:2007-7-0314:16作者:麦蒂来源:中国焊接之家社区董丕明顾福明高进强王尔德田锡唐摘要应用数值分析方法研究圆柱形壳体相贯线焊缝对法兰平面度的影响，建立了分析相贯线焊缝所用的纵向收缩力模型；研究表明，圆柱形壳体上的相贯线焊缝将引起法兰平面沿圆周产生局部下凹，法兰平面在宽度方向上的倾斜不明显，数值分析结果与实验结果相吻合，证明了对于薄壁壳体上应用纵向收缩力模型分析相贯线焊缝引起焊接变形的正确性。关键词：相贯线焊缝法兰平面度数值分析NumericalAnalysisforEffectofLongitudinalShrinkageofPerpendicularIntersectionWeldonFlangePlaneDongPiming(DalianRailwayInstitute)GuFuming(ShanghaiYilengCarrierAir-ConditioningEquipmentCo.)GaoJinqiang(SandongInstituteofTechnology)WangErde，TianXitang(HarbianInstituteofTechnology)AbstractTheeffectoftheperpenticularintersectionweldbetweenthetwocylindricalshellsisanalyzedbythenumericalmethod.Thelongitudinalshrinkagemodelisestablishedtoanalyzethedistortionoftheperpendicularintersectionweld.Theresultshowsthatthepartialdecendingalongthecircumferenceoftheflangeplaneiscaursedbytheperpendicularintersectionweldbetweenthetwocylindricalshells,andtheinclinationalongthewidthoftheflangeisnotobvious.Thecalculatedresultscoincidewellwiththeexperimentalones.Itisprovedthatthelongitudinalshrinkagemodelforanalyzingthedistortionoftheperpendicularintersectionweldisreasonable.Keywordsperpendicularinsertionweld,flange,planeness,numericalanalysis0序言利用有限元方法对焊接残余应力和变形进行数值分析越来越为人们所重视，随着计算机向大容量、高计算速度的发展，对于圆柱形容器上的环形焊缝采用热弹塑性有限元分析焊接应力变形，并得到焊接应力和变形的动态过程［1，2］。但是，对于大型容器上的相贯线焊缝，由于焊缝是空间曲线，对其进行热弹塑性分析是相当困难的。因此，国内外研究者仅对两相贯筒体直径相差比较大（即可近似认为相贯线焊缝为平面圆形焊缝)进行实验研究及分析［3，4］。另外，由于焊接过程是一个复杂的热弹塑性力学过程，材料的物理力学常数是温度的函数，对于任何材料在温度场、应变场和微观结构之间存在着密切的内在关系，所以即使是几何形状很简单的问题要涉及上述所有关系进行热弹塑性数值分析，将化费大量的计算时间及存储空间。因此，本文首先建立了分析相贯线焊缝由纵向收缩引起法兰平面度变化的数学模型，由此用非线性有限元分析直径φ630mm筒体与直径φ1000mm筒体相贯焊时对法兰平面度的影响，并用实验进行验证，为预计容器相贯线焊缝纵向收缩对法兰平面度影响具有重要指导意义。1相贯线焊缝纵向收缩力的数学模型1.1纵向收缩力模型对于相贯线焊缝，由于焊接引起的纵向应力（这里指焊缝的切向应力），当由于圆筒直径与厚度之比比较大，其纵向应力是一个稳定值，对于低碳钢其大小为σs，相贯线焊缝的纵向应力引起壳体的变形，法兰平面度变化。因此这种变形可用分布于两个容器塑性区bp的径向力P1、P2近似计算而得，如图1。由于相贯线焊缝是空间曲线，其切线方向以及曲率中心在不断地变化，其分布于圆柱壳体2上的径向力P2的大小及方向在不断变化。任意假设某点的曲率取一个微元体，见图2。其在垂直切线方向与沿切线方向长度均等，于是切向应力σ2可间接地与载荷P2联系起来：图1纵向收缩模型Fig.1M