点焊残余应力（精选3篇）
点焊残余应力 篇1
电阻点焊作为一种产效率高、焊接质量好的焊接方法,被广泛用于汽车工业中[1]。焊点中一般都存在着应力集中现象,该现象的存在会造成点焊件产生脆性破坏及疲劳强度降低等问题[2,3],所以此残余应力的确定对点焊件的安全性能评估具有重要意义。
传统电阻应变计钻孔法能够较好地满足工程中一般残余应力的测定要求,但它却不适用于点焊残余应力的测定。因为点焊残余应力场是一种沿径向急剧变化的应力场,而传统电阻应变计钻孔法中的释放系数是在均匀应力场情况下推导出来的,当这种情形下得到的释放系数用于急剧变化的应力场时,将会导致测量误差出现[4,5],故此法不适用于这种径向大应力梯度场的情形。
本文提出一种将DMI应变计(Direct Measurements,INC)与钻孔法相结合的测定新方法来测定沿板厚方向非均布的点焊径向残余应力。首先,推导获得了沿板厚方向非均布情况下的逐层钻孔释放径向残余应力与释放应变的关系方程;接着采用有限元分层加载的方法获得了应变释放系数矩阵;最后,通过测定5层非均匀点焊残余应力的示例验证了该方法的有效性。
1 非均布点焊径向残余应力的测定
1.1 DMI应变计的测量原理
DMI应变计由美国直接测量公司研发,该应变计上黑色圆环区域的内、外两圆形边界为测量点所在圆边界,在同一圆边界上均布着36个测量节点,如图1所示。
DMI应变计上每个测点所测得的周向应变数值定义为此点半径对应的10°圆弧因变形所产生的平均应变,周向应变数值计算示意图如图2所示,O点表示应变计中心,Δθ为微段圆弧对应的夹角,r和r*分别为应变计变形前后的测点所在圆的半径,则该半径处测点的周向应变计算公式为
1.2 沿板厚非均布点焊径向残余应力测定
点焊板件上的残余应力主要集中分布在焊点处,其是一种存在于局部且呈轴对称分布的残余应力。在离焊点较远处位置的残余应力几乎为零,即应力随着距焊点的距离增大而迅速趋近于零。经计算发现,当焊件板最小边距≥10倍的焊点半径rw时(此处定义焊点中心到焊件板边的距离为焊件板边距,下同),对应该最小边距情况下的焊件板外边界处残余应力可看作为零。为此,以10rw为半径,焊点中心为圆心,作一个大圆以建立一个轴对称的点焊简化模型,该模型如图3所示。
在该板焊点处对中钻通孔后(钻孔半径rd<焊点半径rw,该孔边不存在切向力),假设焊点中残余应力沿板厚方向是均布的,此时被释放的径向残余应力以径向压力p的形式作用在孔壁上。根据弹性力学中平面应力问题的相关理论解可知,在以焊点中心为坐标原点的极坐标系下,坐标为(r,θ)处的应力分量为[6]
将上述应力分量代入胡克定律,并像传统钻孔电阻应变计法那样,引入释放系数以简化关系式,经简化后可得盲孔情况下,钻孔释放的均布残余应力p与释放应变εθ的关系方程为
其中,E为材料弹性模量;v为泊松比;K为释放系数。
残余应力沿板厚方向非均布时,可采用逐层钻孔的方法进行径向残余应力测定[7]。用DMI应变计测量点焊残余应力的原理图如图4所示,图中DMI应变计与焊点对中粘贴,然后在焊点处采用对中逐层钻孔,以释放每一层上的残余应力。此时,根据叠加原理[8],在完成第i步逐层钻孔后,通过粘贴于点焊件表面的DMI应变计测得的总释放应变为
其中,pj为第j层的平均径向应力;Kij为标定释放系数矩阵,表示当钻孔达到i步孔深时,因受到第j层的单位应力影响所引起的测量点处的周向释放应变。图5展示了一个采用3步逐层钻孔的示例。
通过预先标定释放系数表,然后在完成第i步逐层钻孔后,该层的平均径向应力计算公式可由所测应变和释放系数所表示
1.3 释放系数矩阵的数据处理
对于不同的钻孔步数i,对应的释放系数Kij也是不同的。由于实验方法无法实现分层加载,故本文考虑用有限元模拟的办法对模型分层加载,以标定对应不同层深情况下的释放系数Kij。在完成第i步钻孔后,在第j层上施加径向应力场,此时测得焊点边界处的释放应变(εθ)ij,变换式(4),可得释放系数的标定公式为
这样,如果某一孔径下第i步钻孔后,通过在第j层上单独施加已知的径向应力,由于E和v是材料的常数,而焊点边界处的释放应变又可由有限元计算得到,故可通过式(6)逐个计算出方阵Kij中的每一个释放系数。
2 释放系数矩阵的有限元标定
通常,焊点直径Dw与焊件板厚度H的比值都分布在3~5之间[9],并且它们的比值大致呈线性关系[10],为体现一般性,本文选取其中间值,即比值Dw/H=4的情况进行建模分析。
考虑到连接板(即下板)的厚度对释放系数的影响无法消除,故取焊件板和连接板的厚度都为H=1;经计算发现,只要连接板的最小边距>rw,则该边距大小的变化将对系数的影响可忽略不计,为方便建模,取连接板的边距等于焊件板的边距,都为10rw;标定时所选取的应变测点位置为DMI应变计内圈测点位置。标定模型采用线弹性各向同性材料,由于释放系数是与材料属性无关的常数,所以此处取弹性模量E=210GPa,泊松比v=0.3。
用Abaqus软件按照上述参数建立二维轴对称有限元标定模型,仿真计算出5步逐层钻孔所需的释放系数表,具体网格划分如图6所示。整体模型采用8节点双二次轴对称。
四边形单元即CAX8单元。同时,采用结构化网格划分技术和最小化网格过渡算法,以提高应变结果的计算精度。
本文分析时,钻孔半径取0.625 rw,每层的厚度Δh=0.2H,逐层总步数为5步,标定载荷pj=1 MPa。通过分层加载的方法,分析计算出五步逐层钻孔释放系数表如表1所示。
3 示例及验证
以弹性模量为70 GPa,泊松比为0.33的铝合金等厚双板点焊件为例。其中,焊件板与连接板的厚度H=1 mm;焊件板为半径是40 mm的圆形板,连接板为半径是10 mm的圆形板;焊点直径为Dw=4 mm。焊点内部存在沿板厚方向变化的已知残余应力状态
式中,0.5rw<r<rw;h表示深度;r为到焊点中心的距离。
要求测定距焊点中心1.25 mm处焊点内部的径向残余应力。
(1)钻孔及应变测量。由于焊点半径为2 mm,故选取内圈测量点半径为2.19 mm的DMI应变计与焊点对粘贴于点焊件表面;选取钻头半径1.25 mm的钻头进行对中逐层钻孔,每步钻孔深度为0.2H,总孔深为H。记录每步逐层钻孔后由DMI应变计内圈测点所测得的应变,记录如表2所示;
(2)计算结果与分析。通过本文已计算好的释放系数表和所测得的释放应变,可由式(5)计算出距焊点中心1.25 mm处的沿板厚非均布的径向残余应力,并将计算值与实际径向应力大小进行比较,如表3所示。其中,实际径向应力通过已知的径向应力表达式积分可得。从表中可以看出计算径向应力值与实际径向应力值非常接近,相对误差约在3%,符合工程运用中允许的误差范围。
4 结束语
本文将DMI应变计与钻孔法结合,提出了一种简便易行的点焊残余应力测定新方法。在五步逐层钻孔,使用DMI应变计测定点焊径向残余应力的示例中,计算所得值与实际值比较接近,说明了钻孔DMI应变计法的有效性。
摘要：基于传统电阻应变计钻孔法无法测定点焊残余应力,提出以对中逐层钻孔的钻孔DMI应变计法来测定沿板厚方向非均匀的点焊径向残余应力。推导出了逐层钻孔所释放的径向残余应力与释放应变的关系方程;并在二维轴对称有限元模型上,采用分层加载的方法实现各层释放系数的仿真计算,标定了一个用于5层非均匀应力计算所需的释放系数表;利用该系数表,结合5步逐层钻孔测定点焊残余应力的示例,验证了该方法的有效性。
关键词：点焊径向残余应力,钻孔,DMI应变计,释放系数
参考文献
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车轴残余应力浅析 篇2
关键词：车轴,残余应力,危害,检测
火车车轴是铁路机车中一个非常重要的构件, 随着机车速度的不断提高, 车轴在运行中出现的各种损伤, 将直接影响着铁路运输的安全。统计有关文献表明, 车轴裂纹是各种损伤中的主要故障类型[1]。车轴的这些损伤, 都与车轴制备过程中的瞬时应力状态及最终残余应力分布状态有较大的关系[2]。因此, 开展车轴锻件残余应力的形成机理及检测与消除方法的研究显得十分必要。
1 车轴材料及制备工艺
早期国内常用的机车车轴材料为40钢和50钢。40钢韧性较好, 但强度稍低, 使用寿命短, 易出现裂纹, 无法适应当前列车高速、大运量的发展要求;50钢强度较高, 但韧性较差, 不易加工。近些年来, 国内开始使用低碳合金钢EA4T作为车轴材料, 以德国为标准, 实现了EA4T国产化。EA4T是一种德国牌号的低碳合金钢材, 其主要成分与国内钢牌号25Cr Mo相近, 现多用于高铁车轴、地铁车轴和高速机车车轴。
国内车轴毛坯的生产主要依靠自由锻和精锻成形。自由锻造是对坯料施加局部高速冲击使之成形, 生产效率为每分钟0.2-0.3根, 材料利用率约为58-65%, 锻件单边余量一般为10-15mm, 设备通常采用的是水压机或者是下拉式快锻液压机。如中国北车集团齐齐哈尔铁路车辆 (集团) 有限责任公司的原来的车轴锻造工艺为泵—蓄势器传动的三梁四柱式水压机。精锻成形, 它的生产效率为每分钟0.3-0.5根, 材料利用率为65-73%, 也称径向锻造工艺, 设备通常选用大型数控的径向锻造机。
在锻件热处理方面, 车轴一般采用正火热处理, 正火处理的车轴加热温度范围为830~890℃, 目的是消除锻坯制备时所造成的各种组织缺陷, 改善其力学性能, 同时降低锻造引起的残余应力水平, 避免淬火时较大的开裂倾向。
2 车轴残余应力的产生
残余应力是车轴生产制备过程中不可避免的平衡于材料内部的弹性力, 是塑性变形不均匀的必然结果。车轴制备过程中, 材料锻造、锻件热处理、车轴后续加工都会产生残余应力。
根据产生残余应力机理的不同, 可将其分为热应力和组织应力, 车轴热处理后的残余应力是热应力与组织应力的综合作用结果。由于构件内、外部温度不均, 引起材料的收缩与膨胀而产生的应力称为“热应力”。热应力是由于快速冷却时工件截面温差造成的, 淬火冷却速度与工件截面尺寸共同决定了热应力的大小。在相同冷却介质的情况下, 淬火加热温度越高、截面尺寸越大、钢材热导率和线膨胀系数越大, 均能导致淬火件内外温差增大, 热应力越大。而加工过程中, 由工件内外组织转变的时刻不同所引起的内应力称为“组织应力”[3]。淬火时, 表层材料先于内部开始马氏体的相变, 并引起体积膨胀, 由于表层的体积膨胀受到未转变的心部的牵制, 于是在试样表层产生压应力, 心部产生拉应力。随着冷却的进行, 心部体积膨胀又受到表层的阻碍。随着心部马氏体相变的体积效应逐渐增大, 在某个瞬间组织应力状态暂时为零后, 试样的组织应力发生反向, 最终形成表层为拉应力而心部为压应力的应力状态。组织应力大小与钢的含碳量、淬火件尺寸、在马氏体转变温度范围的冷却速度、钢的导热性及淬透性、加热温度、保温时间等因素有关。
锻造过程中, 因锻件需要加热、冷却, 同时又有外力的引入, 极易导致锻件内部产生较大的内应力, 其中有部分内应力在加工过程中会逐渐消失被称为瞬时应力, 而另一部分是在锻造完成以后仍然存在车轴内部的平衡应力即锻造残余应力, 该部分残余应力主要为“热应力”。正火之后是调质, 调质处理阶段的淬火在整个车轴制造过程中对于残余应力的影响是最大的, 应为该阶段不但会应为淬火时的极冷车轴内外的温度不一产生很大的“热应力”, 还会因为马氏体的相变产生“组织应力”。由于调质处理对车轴热应力及组织的影响, 导致车轴内的残余应力分布与锻造-正火后有很大差异。而半精加工的残余应力只停留在加工表面层, 对试样内部应力没有影响, 在完全淬透的情况下, 在同一截面上, 车轴的残余应力随着测试点深度的增加而不断变化。
3 车轴残余应力的危害
残余应力的存在, 一方面会降低车轴的强度, 使车轴在制造时出现变形和开裂等缺陷;另一方面, 在后续的加工过程中, 残余应力释放使车轴的尺寸发生变化, 且降低车轴的疲劳强度、抗应力腐蚀等力学性能。在锻造和热处理过程中, 产生的残余应力或瞬时应力若达到在该温度下材料的屈服点时, 锻件就要产生塑性变形, 使应力松弛。若为比较大的拉应力, 就可能使锻件产生裂纹, 出现淬裂。即使残余应力小于材料的强度极限, 由于大锻件内部总是存在一些冶金缺陷, 在这些缺陷处造成很大的应力集中, 致使原来存在的缺陷进一步扩张。所以控制残余应力的大小是车轴热处理工艺制订时的一个重要问题。即便是车轴的表层残余应力状态对车轴的疲劳强度有重要的影响[4]。
以轴向应力为例, 如果车轴表面存在拉应力σ1, 则当车轴承受外加循环载荷时, 表层的合成应力水平增加, 表层受到的最大应力增大为σmax+σ1, 有可能超过车轴的疲劳强度, 产生疲劳破坏。相反, 如果, 如果车轴表层存在残余压应力σ2, 则当车轴承受外加循环载荷时, 表层的合成应力水平下降, 表面受到的最大应力由σmax下降为σmax-σ2, 应力幅值不变, 但平均应力σm降低了, 因此提高了车轴的疲劳强度与寿命。
4 车轴残余应力的检测与消除方法
残余应力测试方法很多, 根据对被测构件是否造成破坏, 可分为有损测试法和无损测试法。有损法测试法其基本原理是将待测工件, 利用机械加工的方法将工件一部分去除, 使其释放部分应力而产生相应的位移和应变, 通过测量这些位移和应变, 经换算后得到工件原始存在的残余应力。有损测试方法中, 目前用得最多的是钻孔法 (盲孔法) 、环芯法、裂纹柔度法和层削法。无损测试法主要是物理方法, 其中使用的最多的是X射线衍射法[1]。
钻孔法和环芯法的优点是应变测量的精度与灵敏度比较高, 而缺点是被测工件将受到不同程度的破坏, 且环芯法需要特定的铣刀, 加工复杂;层削法和裂纹柔度法操作简便, 技术成熟, 测试成本低, 可以测量工件内部残余应力, 但对工件损坏非常大。X射线衍射法是目前技术较成熟且应用范围十分广泛的表层残余应力测量方法。中子衍射法属于无损检测方法, 可用于测量工件内部残余应力。该方法测试精度很高, 但对设备要求极高, 设备昂贵, 测试成本高, 目前国内还不具备相关检测设备[5]。
车轴残余应力的消除方法主要由振动时效法和自然时效法, 这两种方法都能从一定程度上减少残余应力但是不能完全消除。振动时效法是利用振动平台给车轴施加振动能量来消除残余应力, 该方法消除残余应力速度快, 但是振动平台的制造和使用成本高。自然时效法就是直接将加工好的车轴自然堆放一段时间, 通过车轴自身内部的平衡来消除残余应力, 该方法所需成本少, 但是所需时间长一般都要几个月甚至一两年。对车轴表面的残余应力, 可以通过表面处理如滚压、喷丸、磨削、表面淬火等工艺来处理, 这样既可以获得良好的组织性能, 又可以调高车轴表面压应力, 从而延长车轴使用寿命。
5 总结
系统地分析了车轴残余应力的形成机理和检测方法, 探讨了残余应力对车轴的危害, 指出了消除方法, 对车轴加工工艺的设计具有一定的工程指导意义。
参考文献
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残余应力消除方法研究 篇3
残余应力是指没有对物体施加外力时,物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。
金属构件(铸件、锻件、焊接件)在冷热加工过程中都会产生残余应力,高者在屈服极限附近构件中的残余应力大多数表现出很大的危害作用,如降低构件的实际强度,降低疲劳极限,造成应力腐蚀和脆性断裂。由于残余应力的松弛,使零件产生变形,大大地影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的残余应力就十分必要了。
1 建筑钢结构残余应力实例[1]
建筑焊接钢结构与一般的焊接构一样,同样存在焊接残余应力。以上海安亭蕴藻浜大桥为例,钢号为Q345B,σs=345MPa。其先在工厂进行箱型分段焊接,然后在现场进行拼焊。采用盲孔法对拼焊残余应力进行测量,结果如表一所示。
表一结果表明:下表面焊缝为先焊焊缝,残余应力水平比较低,而后焊接的上表面焊缝的应力水平则很高,个别值接近母材σs,平均值接近或超过σs/2水平。
2 残余应力产生的机理[2]
各种机械工艺,如铸造、切削、焊接、热处理、装配等,都会使构件内出现不同程度的残应力。从残余应力产生的原因来讲,可分成如下几类:
(1)机械加工引起的残余应力。这是金属构件在加工过程中最易产生的残余应力。
(2)温度不均引起的残余应力。大多数金属都不是纯弹性或纯塑性材料,在冷却过程中往往会发生塑性——弹性转变。
(3)构件尺寸公差引起的残余应力。在铆接、焊接、螺钉连接时,往往有公差配合问题。
3 残余应力消除方法有
残余应力的消除一般可以从设计和工艺两方面考虑。
对于焊接残余应力,设计的措施有:①焊接位置的安排要合理;②焊缝尺寸要适当;③焊缝的数量宜少,且不宜过分集中;④应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉;⑤尽量避免在母材厚度方向的收缩应力[4]。
有了好的设计还应该选择合适的焊接工艺,目前一般的焊接方式有平焊、立焊、横焊和仰焊四种,要根据具体情况选择我们需要的,具体的可以参照《钢结构工程制作安装便携手册》[5]。
3.1 自然实效法
自然实效法是在室外或者室内将铸件放置数周后,残余应力有所减弱的方法。自然实效法去除残余应力的作用很有限,一般最多下降10%。
3.2 热时效法
热实效法是将铸件加热到塑性状态的温度范围,在此温度下保温一定的时间,使应力消除,再缓慢冷却。热实效法是比较可靠且工艺相对成熟的残余应力去除方法,目前,热时效仍是一种主流工艺,其具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为40-80%,但是其存在局部热时效实施比较困难,耗能大,成本高,污染重的缺点。
对重要焊接构件先进行整体热时效,然后在现场与其它构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。需要强调的是焊后热处理并非绝对有利。一般情况下,焊后热处理有利于缓和残余应力,在对应力腐蚀有严格要求的情况下才进行。但是试件的冲击韧性试验表明,焊后热处理对熔敷金属和焊接热影响区的韧性提高不利,有时在焊接热影响区的晶粒粗化范围内还可能发生晶间开裂。焊后热处理是依靠高温下材料强度的降低来实现消除应力的,因此,在焊后热处理时,结构有可能失去刚性,对于采用整体或局部焊后热处理的结构热处理前,必须考虑焊件本身在高温下的自支承能力。如果要进行热处理,应根据构件的具体结构和承载状态选择合适的热处理温度和时间[6]。
3.3 TIG(钨极惰性气体保护焊)重熔
焊趾缺陷是一种焊道融合线上难以避免的小而尖锐、连续的缺陷,往往成为结构疲劳破坏的裂纹源。常采用TIG重熔工艺对焊趾进行修整,重建裂纹起裂前的状态,降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象,以延长了疲劳寿命,同时TIG重熔也能改善焊缝区的横向残余应力。上海宝冶工程技术公司进行重型门式起重机大梁维修,对其拘束模拟焊接试板焊缝TIG重熔前后的残余应力,通过X射线方法进行测量,测定结果见表二。
由此可见:TIG重熔对于焊缝的纵向残余应力改善不明显,残余应力绝对值下降不大;但对于纵向残余应力的均匀分布有一定效果。但对横向残余应力有明显的改善效果,残余应力绝对值下降明显而且分布趋于均匀。考虑到建筑钢结构的载荷特点以及生产效率的要求,TIG重熔可在横向拘束应力大的焊道上,作为缓和横向残余应力、降低应力集中的辅助工艺。TIG重熔可以有效降低材料的质量损失,抑制裂纹发展,避免了大的物质剥落[7]。
3.4 振动焊接(VW or VCW)
振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动,是目前国内外正在研发的新技术;在振动时效标准的附录中,已确认为可与振动时效组合的工艺之一[1]。其不改变原有的焊接工艺;在焊接过程,通过一个几百瓦的小激振器对构件注入频率和振幅可控的振动,即形成振动焊接。这种限幅的振动,势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用:
(1)当焊缝金属在熔融状态下,由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。
(2)在结晶过程振动可细化晶粒,使焊缝的力学性能得到提高。
(3)温度大于600℃的区域,材料在强度逐步恢复的冷却过程中,伴随振动的热塑性变形,使逐步形成的焊接残余应力得到降低和均化,可减少焊接变形及焊接裂纹的形成。
国内外的研究和实验都表明,振动焊接工艺经济、简便、高效,特别是可以在大型焊接钢结构上实施,振动焊接在降低焊缝残余应力、减少工件变形、提高结构疲劳寿命、提高接头力学性能,即全面提高焊缝质量方面有显著作用。基于振动焊接的优点,在我国重大工程中,对一些采用热时效工艺有困难的结构,已开始试验振动焊接工艺,包括核聚变试验装置、大厚壁高炉炉体、大直径阀体等。若能加强振动焊接在建筑钢结构上的应用试验和技术标准的建设,振动焊接很可能成为补充、替代传统热时效的又一重要工艺。
4 结束语
残余应力不仅在建筑行业中普遍存在,在一些其他行业中也是很普遍的,比如现在航空工业、机械制造等。所以选择合适的消除残余应力的方法是很有必要,我们可以根据现场情况和残余应力的类别来选择合适的方法来消除残余应力,以上介绍的方法可以用来参考。
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