gj钢焊接方管截面残余应力的测定和研究-measurement and research on residual stress of welded square tube section of gj steel.docx

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。低碳钢在室温下长期存放，数值为屈服应力σs的原始应力可能松弛2.5%~3%，如果原始应力较低，则松弛的比值将有所减少，但若环境温度升高至1000oC，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，但研究工作只是定性的和实测的。在五、六十年代，结合具体焊件的热应力的计算研究较多，一些著作比较系统地讨论这方面的问题。梅兰和帕尔库斯的《由于定常温度场而产生的热应力》[3]和帕尔库斯单独写的《非定常热应力》[4]反映了五十年代热应力的研究成果。前苏联学者奥凯尔布洛姆等人在考虑材料机械性能与温度之间相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程，并分析一维条件下对焊接残余应力和变形的影响。由于计算机的推广应用，对焊接残余应力和变形的数值模拟才发展起来。Tall[2]等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。1971年，Iwkai编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序，后来Maruki[2]对它做了重大改进，扩大这个二维程序的功能，使之可用于对接焊和平板堆焊过程的热应力分析。日本的上田幸雄等人以有限元为基础，应用材料性能与温度相关的热弹塑性理论，导出了分析焊接热应力所需的各表达式[5][6]。此后美国的H.D.Hibbert，E.F.Ryblicki，Y.Lwalnuk以及Masubuchi等在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作。Anderson分析了平板埋弧焊时的热应力，并考虑相变的影响。进入二十世纪八十年代，有限元技术日益成熟，人们对焊接残余应力和变形过程及残余应力的分布规律的认识不断深入。1985年Josefson等人通过大量的数值计算，进一步提高预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑了定位焊对残余应力分布的影响。Josefson对薄壁管件残余应力以及回火去应力过程的应力分布情况进行研究，并探讨了一些调整焊接残余应力的措施[7]。九十年代以来，随着计算机性能的进一步提高，对焊接残余应力和变形的研究更加深入。1991年Mahin等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑了熔池对流、辐射和传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用中子衍射法测得的结果吻合很好。T.Inoue等研究了伴有相变的温度变化过程中温度、相变、热应力三者之间的耦合效应，并提出再考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式[8]。美国的Shim等人