焊缝应力

2024-09-06

焊缝应力（精选4篇）

焊缝应力篇1

摘要：对多条焊缝残余应力场分布进行测试研究, 结果表明, 多维残余应力场分布同多道焊的顺序、工艺等有关, 相互之间应力的强弱直接决定着多维残余应力场的分布。焊缝部位残余应力最大, 距离多维焊缝25 mm以上拉应力迅速降低接近于0 MPa, 50 mm以上基本均为残余压应力。多维残余应力场分布中拉应力分布面积有限, 且拉应力随着距焊缝距离的增加迅速衰减, 试样端部残余应力均小于内部焊缝处残余应力。主焊缝或最后1道焊在消除残余应力时, 应作为主要部位予以重点关注。

关键词：焊缝,残余应力,机械切割法,焊接

0 引言

工程结构在机械加工和热加工的过程中会产生不同大小的残余应力, 残余应力的存在对结构件的宏观性能有着重大的影响, 焊接结构件尤为明显。由于焊接时热源的移动, 导致结构件出现局部的不均匀相变影响。正是由于连续的加热和冷却, 致使结构件内部存在温度梯度, 从而产生焊接热应力。大量失效研究表明, 残余应力是焊接结构件发生失效的主要原因之一。对于复杂结构的焊接结构件, 其焊缝均为多维多道焊, 其残余应力场分布状态复杂, 获得其残余应力场分布规律, 对消除复杂结构件的残余应力意义重大。

1 焊接样品及测试方案

选取目前工程结构应用广泛的Q345型板材, 按X道→Y道→Z道→X道顺序进行焊接, 其中, X向2道焊, X向外侧主焊缝作为最后1道焊, 共计4道焊。由于Q345钢的冷裂纹倾向较大, 应选用低氢型的焊接材料, 同时考虑到焊接接头应与母材等强度的原则, 选用E5015 (J507) 型电焊条。由焊接工艺娴熟的焊接技师采用手工电弧焊进行焊接, 焊接前进行预热, 预热温度为100 ℃。为了得到最准确的残余应力场分布, 焊后不进行任何热处理, 自然放置冷却, 为了保证测试结果的准确可靠, 准备了3件试样。母材及电焊条的机械性能见表1。

由于残余应力场分布的主应力大小及方向都未知, 因此对每个测试点均采用电阻值为120 Ω的0°、45°和90°角的三向应变花进行测试, 测出3个方向的应变, 从而确定该测试点的主应力及主方向角。采用XL2101G60型应力应变测试仪进行测试, 以1/4桥桥路方式连接, 在相同试样上贴温度补偿片进行温度补偿, 以消除温度对残余应力测试结果的影响。采用双股屏蔽电缆, 屏蔽电缆线阻约0.5 Ω, 测试时需考虑线阻对测试结果的影响。在整个多维残余应力场中沿X、Y、Z各道焊缝共布置测试点18处, 测试点之间距离为25 mm, 应力测试点排布位置见图1, 测试点坐标见表2。

目前测量残余应力的方法有机械切割法、盲孔法、X -射线衍射法等。其中, 机械切割法由于将结构件破坏, 残余应力释放完全, 测试精度高。本次试验采用逐层剥削机械切割测试法沿主焊缝截面方向由外至内对每个被测试件进行剖分, 切割法测量时将被测部分完全分离, 使结构件上的残余应力释放, 剖分引起残余应力完全释放, 释放应变测量灵敏度高。利用电阻应变计测量释放应力, 间接得到样品内的初始残余应力 (见图2) 。

2 测试结果

由于残余应力的主应力大小及方向都未知, 因此对每个测试点测出3个方向的应变后, 确定该测试点的主应力及主方向角。三向应变花主应力的大小及方向的计算公式如下。

式中:ε0°为0°方向应变测试值;ε45°为45°方向应变测试值;ε90°为90°方向应变测试值;σmax为最大主应力, MPa;σmin为最小主应力, MPa;E为弹性模量;θ为主方向角, (°) ;μ为泊松比。

采用逐层剥削并最终切割完成放置12 h后, 记录各测点的残余应力值, 各测点残余应力测试结果见表3。

3 残余应力场分布状况

在焊接过程中, 接头金属及其附近母材金属受到加热后伸长, 但伸长时被周围冷金属拘束而受到压缩。在压缩量大于母材金属的屈服变形量时, 产生相应的塑性变形量。与此同时, 受热区域的力学熔点下降, 进而产生更大的塑性变形量。在焊后冷却过程中, 塑性变形被保留下来, 使加热压缩区域产生拉伸应力, 更远的区域产生压应力。焊接接头中残余应力存在2个方向的应力, 即沿焊缝长度方向的纵向残余应力和垂直于焊缝方向的横向残余应力。

测试结果表明, 靠近焊缝的测试点残余应力最大, 且均为残余拉应力, 部分残余应力接近甚至超过材料本身的屈服强度, 距离焊缝越远, 残余拉应力越小, 且衰减迅速, 距离焊缝25 mm以上, 残余应力接近于0 MPa, 当距离焊缝50 mm以上时, 残余应力变为压应力, 说明多维残余应力场分布中拉应力分布面积有限, 且拉应力随着距焊缝距离的增加衰减迅速。

纵向残余应力的大小与Y向及Z向焊缝的距离呈正比, 即距离越近, 残余应力越大;距离越远, 残余应力越小, 且残余应力由残余拉应力逐步变为残余压应力, 说明Y向及Z向的残余应力对X向焊缝残余应力有直接影响。Y向及Z向3个截面间的残余应力分布曲线见图3、图4, X-Y平面内残余应力场分布见图5。

4 结论

(1) 多维残余应力场分布同多道焊的顺序、工艺等均有关系, 相互之间应力的强弱直接决定着多维残余应力场的分布。

(2) 靠近焊缝的测试点残余应力最大, 且均为残余拉应力, 部分残余应力 (即1点和5点) 接近甚至超过材料本身的屈服强度, 距离焊缝越远, 残余拉应力越小, 且衰减迅速, 距离多维焊缝25 mm以上, 残余拉应力接近于0 MPa, 当距离多维焊缝50 mm以上时, 残余应力场基本均已变为残余压应力, 说明多维残余应力场分布中拉应力分布面积有限, 且拉应力随着距焊缝距离的增加衰减迅速。

(3) 纵向残余应力的大小与Y向及Z向焊缝的距离呈正比, 即距离越近残余应力越大, 距离越远残余应力越小, 且残余应力由残余拉应力逐步变为残余压应力。研究结果说明, Z向的残余应力对X向焊缝残余应力有着直接影响。

(4) 试样端部残余应力均小于内部焊缝处残余应力, 且端面焊缝处残余应力大小仅约为内部焊缝处残余应力的1/2, 这是由于端部由于仅1侧有约束, 残余应力得到部分释放。

(5) 3维焊缝的焊缝交接中心点即2点, 由于3道焊缝均对该点的残余应力有影响, 故对于该点的残余应力虽然接近3道焊缝, 但相互之间残余应力及多次焊接导致的相当于退火等热处理工艺反而抵消了该部位的残余应力, 使得该部位的残余应力较小, 但最后1道焊接为主焊缝, 使得该部位仍存在残余拉应力。

(6) 主焊缝或最后1道焊对于多维残余应力场分布的影响最大, 故对于主焊缝或最后1道焊在消除残余应力时, 应作为主要部位予以重点关注。

参考文献

[1]陆才善.残余应力测试小孔释放法[M].西安:西安交通大学出版社, 1991.

[2]倪红芳, 凌祥, 涂善东.多道焊三维残余应力场有限元模拟[J].机械强度, 2004, 26 (2) :218-222.

[3]蔡洪能, 唐慕尧.TIG焊接温度场的有限元分析[J].机械工程学报, 1996, 32 (2) :34-39.

受拉角焊缝的弹性应力分析篇2

过去,由于技术手段的限制,角焊缝的连接计算并不像钢构件那样具有全面和深入的分析研究。角焊缝设计计算大多是在假设的基础上进行的,这样的设计计算与实际状况往往存在偏差。目前,随着有限元数值方法的日益成熟,使得许多采用传统方法所不能解决的问题得以解决。本文通过有限元软件ANSYS,对角焊缝在轴心拉力作用下的情况进行了应力方面的分析。

1 受拉角焊缝连接设计中存在的问题

角焊缝根据其受力方向的不同,分为正面角焊缝(端缝)、侧面角焊缝(侧缝)、斜焊缝以及由它们组成的围焊缝。侧面角焊缝的强度最低,正面角焊缝强度最高,斜焊缝的强度介于两者之间,在计算中采用强度增大系数βf来表示端缝的强度增大效应。根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》的规定,对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构,正面角焊缝的强度设计值增大系数βf=1.22;对直接承受动力荷载的结构,正面角焊缝的强度设计值增大系数βf=1.0。怎样考虑端缝的强度增大效应,应根据焊缝的受力情况和焊缝的组合情况具体分析,否则在设计中可能出现承载能力不足的问题。以下通过一个角焊缝设计实例来进行说明。

如图1所示,拟采用三面围焊设计角焊缝连接。已知钢板截面为400 mm×14 mm,承受轴力设计值N=920 kN,钢材为Q 235,焊条为E43系列,采用手工焊。

根据与母材等强度原则,取2-360 mm×8 mm盖板,钢材Q 235,根据构造要求,取焊脚尺寸hf=6 mm。

正面角焊缝承受的轴心力为:

侧面角焊缝承受余下轴心力所需的实际长度为:

取130 mm。

以下采用本例中所设计的角焊缝连接,反过来验算角焊缝的强度是否满足要求。

在轴心力作用下,无论是正面角焊缝还是侧面角焊缝,其有效截面上的应力分布是均匀的,则正面角焊缝和侧面角焊缝的应力为:

将上式带入规范中的正面角焊缝和侧面角焊缝的强度计算公式,分别有:

σf<βfffw,满足要求。式中:σf=176.7 N/mm2,βfffw=1.22×160=195.2(N/mm2)。

τf>ffw,不满足要求。式中:τf=176.7 N/mm2,ffw=160 N/mm2。

按设计考虑,正面角焊缝的焊缝长度是确定的,先按其极限强度承受荷载,余下荷载再由两条侧面角焊缝承受,进而计算出侧面角焊缝所需的长度,3条角焊缝显然满足承载能力的要求。在验算分析中,轴力作用下,3条角焊缝在有效截面上的应力应该平均分布,将正面角焊缝强度增大部分承受的荷载按3条角焊缝的有效截面来平均承受,使得两条侧面角焊缝不满足承载能力的要求。问题出在了哪里?哪一种分析是正确的呢?要解决这个问题,关键要分析在轴力作用下,3条焊缝组成的焊缝群在有效截面上的应力是如何分布的。

2 三面围焊焊缝的弹性应力分析

角焊缝的应力分布非常复杂,很难有解析解,采用有限元方法进行数值计算较为理想。本文采用ANSYS程序,对图1所示的三面围焊进行了角焊缝的弹性应力分析。

选择焊缝有效截面的形心连线作为代表路径,图2给出了该路径上平均应力的变化曲线。

由图2可知,焊缝应力分布是极不均匀的,正面角焊缝呈中间大,两端小;侧面角焊缝在远离正面角焊缝处应力大,而靠近处应力小,侧面角焊缝的应力也不均匀。规范规定,有效焊缝长度为实际焊缝长度减去起落弧的影响长度,这种处理方法很合理。缝长平均应力应为:σv端=174.43 N/mm2,τv端=176.89 N/mm2。

即侧面角焊缝的平均应力是端面角焊缝的1.014倍,说明在弹性阶段,角焊缝有效截面上的应力分布应是平均的。

3 结语

经ANSYS程序分析,可以认为,图1中的三面围焊角焊缝设计与焊缝受力的实际情况是不相符的,在轴力作用下,无论是正面角焊缝或侧面角焊缝,其有效截面上的应力呈均匀分布。

综上所述,不只是三面围焊连接,只要是由正面角焊缝和侧面角焊缝组成的焊缝群,应力在有效截面都应是均匀的,在角焊缝设计中应给予重视。

正面角焊缝强度略大于侧面角焊缝的强度,但并未达到1.22倍。根据有关试验,对正面角焊缝在其破坏面上的应力分析,正面角焊缝强度为侧面角焊缝强度的1.132倍。按规范规定,在直接动力荷载的作用下,βf=1.0,考虑到在正面与侧面组合角焊缝的情况下,正面角焊缝的强度增大部分并不一定能得到发挥,为保证设计安全和计算简便,笔者认为,在角焊缝的设计计算中,无论是动荷载作用或是静荷载作用,均不宜考虑正面角焊缝的强度增大效应。建议角焊缝强度按(1)式计算:

参考文献

[1]沈祖炎,陈扬骥,陈以一.钢结构基本原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[2]彭兴黔.钢结构连接和压弯构件的几个问题[J].钢结构,2003,18(5):16-18.

[3]吴长太,王丹龙,李化强.焊缝尺寸计算公式的研究及应用[J].煤矿机械,2002,(9):42-43.

[4]戴国欣,李继华,夏正中.钢结构角焊缝的极限强度及抗力分项系数[J].建筑结构学报,1993,14(6):25-32.

焊缝应力篇3

从图一我们可以知道在圆筒上, 径向收缩变形在环形焊缝两侧的母线方向上产生了弯曲应力, 其中在焊缝中心产生的应力最大, 急剧向Á焊缝两侧减小。

残余应力产生的根本原因是物体内部产生不均匀弹塑性形变, 不均匀形变的外在原因是不均匀的应力场和温度场, 内在原因是物体内部各部分组织的浓度差或晶粒的位向差, 由于焊缝开裂造成使用设备损坏的多数是第一类残余应力。既宏观残余应力, 而它有两个特点, 一、是靠自身平衡的内力, 二、是它可调整或消除。消除残余应力调整与消除的常用方法有: (1) 蠕变形变法 (即通常的焊后热处理) , (2) 力学形变法, 包括通常的过载拉伸、振动时效、锤击、爆炸处理。 (3) 温差形变法, 包括低温拉伸、逆焊接温差处理 (过载处理) 等。

我们对设备进行制造或进行补焊时就要对残余应力进行控制和消除, 除了要采取设计措施和选材措施外, 在制造和补焊时, 还要合理采取工艺措施, 如在焊接时采用线能量小的工艺参数和焊接方法及强制冷却措施, 选择合理的焊接顺序和焊接方向, 以便调整残余应力的分布, 还可以采取预拉伸补偿焊缝补偿, 局部加热, 锤击、多层焊等措施。焊后可采取点状加热和点状加压、温差拉伸法削除焊接应力及滚压焊缝调节薄壁构件的焊接应力。

当然石化设备进行焊接动火存在较大的危险性, 现场动火施工首先要搞好安全防护工作, 安全防护措施如下: (1) 要有任务单, 票证齐全。 (2) 现场动火点30米内井盖、地沟要盖好, 高空作业要注意火花飘落的范围。 (3) 周围有无易燃易爆物, 周围环境有无特殊气味。 (4) 仔细阅读火票上面的安全措施是否到位。 (5) 检查自己的工具具是否安全可靠、好使, 安全防护用品是否佩戴合理正确。 (6) 高空作业时必须系安全带, 防止工具高空坠落伤人。 (7) 进入有限空间动火一定要注意定时进行气体化验分析, 每隔两小时化验一次。 (8) 进入有限空间要有绝缘衬垫, 防止触电。 (9) 做好防中暑工作。 (10) 施工过程中做好通风防尘、防中毒工作。 (11) 风力达到五级时停止高空作业, 六级停止一切室外动火作业。

如2008年9月5日呼石化公司聚丙烯装置六号聚合釜下部环形焊缝开裂, 我们班组接到车间下达的施工任务后马上准备施工工具和施工材料, 迅速达到装置现场, 发现聚丙稀六号釜下部环缝裂了两条裂缝长度分别是200mm和150mm, 办完各种施工票据和施工手续, 安全措施落实到位后, 开始施工。我们先用角磨机将裂纹全部磨掉, 由于设备内部存在少量循环水无法排干净决定焊接材料先用Φ2.5J422焊条打底Ф2.5J507焊条填充和盖面, 焊前进行了适当的预热, 焊接过程中选用了较小的焊接线能量, 多层焊, 断续焊打底, 填充为分段焊, 焊接过程中每层、每段都用刨锤进行适量的锤击, 焊后采用了温差拉伸法消除焊接残余应力等控制措施。温差拉伸法消除焊接残余应力又称低温消除应力法适用于中度钢板焊后消除应力, 就是在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧、乙炔焰矩平行于焊缝移动加热, 在焰炬后一定距离 (150-200mm) 处跟随有排管喷水冷却。这样可造成一个两侧高 (峰值约为200℃左右) 焊缝区低 (约100℃左右) 的温度场。两侧的金属因受膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸, 使之产生拉伸塑性变形以抵消原来的压缩塑性变形, 从而消除残余应力。得到了较好的效果成功的减少了焊接残余应力, 使设备能正常使用和工作。

又如2008年11月2日呼石化公司催化装置V802出口接管焊缝中心几乎全部开裂, 接到单位下达的施工任务后马上准备施工工具和施工材料, 迅速达到装置现场, 办完各种施工票据和施工手续, 安全措施落实到位后, 判断焊道较薄且存在焊接残余应力, 加上设备使用时有较强的震动引起的断裂, 将焊缝上的裂纹打磨干净后使用Ф3.0J422焊条焊接, 焊接时采用较小的焊接电流, 每层焊完后用小锤全部敲击一遍来消除焊接残余应力, 多层焊, 一共焊了三遍, 待焊缝高度和宽度达到要求后停止施工, 装置将设备马上投入使用, 以后该部位在没有出现断裂的情况, 正常使用至今。

总之, 在设备的使用过程中焊接残余应力是一种致命的隐患, 在以后的维护工作中要根据现场的具体情况选择不同的焊接工艺方法和控制措施来控制和消除焊接残余应力, 才能保证焊缝质量和使用寿命, 为安全生产做出贡献。

参考文献

[1]曾乐.现代焊接工艺手册.[M]上海科学技术出版社1995.

焊缝应力篇4

压力容器按照设计文件要求应进行整体消应力热处理, 但由于容器长度超过热处理炉容积, 因此分为两段先行入炉热处理, 后单独对合体环焊缝进行局部热处理。通过简化壳体受力, 避免使用复杂的分析方法, 快速得出验算结果, 判断是否在安全范围内, 从而证明局部热处理工作的可行性。

1 热处理温度和金属强度值的确定

1) 该容器壳体采用Q345R板材, 根据《承压设备焊后热处理规程》GB/T 30583—2014和《承压设备焊接工艺评定》NB/T 47014—2011列出的常用钢焊后热处理规范参数, Q345R热处理温度为≥600℃, 并考虑到局部热处理时热量容易散失, 所以确定热处理温度为 (620±20) ℃。

2) 《压力容器》GB150-2011标准规定Q345R的最高使用温度为475℃, 475℃以上的力学性能数据从文献[1]查得Q345R在500~650℃的强度数据。

3) 将GB 150中Q345R钢材的许用应力与屈服强度进行比较, 可以发现钢材高温下的许用应力主要受长期强度制约, 若将其作为热处理温度下的强度依据则保守得多。因为局部热处理为短时间热处理, 热处理时的许用应力不应按照10×104h下持久强度和蠕变极限确定, 应按650℃下的屈服强度确定。Q345R钢材在650℃下的屈服强度为60 MPa, 考虑到在厂房内施工, 安全系数可以取得低一些设为1.5, 即650℃下Q345R的许用应力为40 MPa。

2 受热焊缝的应力强度的验算

此前, 已对焊接工艺评定试件进行力学性能试验, 结果表明焊缝的抗拉性能和抗弯性能均不小于钢板材料的相应性能, 因此采用钢板材料的许用应力值来进行比较。以下分别以卧式和立式两种姿态分别进行验算, 判断能否进行热处理工作。

2.1 卧式姿态下的应力计算

压力容器壳体水平放置在两部转台上, 无外力只承受自身重力载荷。但是, 合体环焊缝两侧的壳体重量不同:左段壳体的尺寸为2 600 mm×34 mm×4 563 mm, 重10 572 kg, 附加上5%的辅助工装质量, 则计算质量为11101kg;右段壳体的尺寸为2600mm×34 mm×5 253 mm, 重12 145 kg, 附加上5%的辅助工装质量, 则计算质量为12 752 kg。

由于热处理时合体环焊缝温度最高, 所以沿其纵向截面并采用简支梁模型做强度分析, 将壳体受力简化后如图1所示。

合体环焊缝的左、右两边承受近似均匀的重力载荷密度P1、P2, 焊缝截面与左边转台支点和右边转台支点的距离分别为2 500 mm和3 000 mm。计算载荷密度:

左、右壳体的载荷密度不同, 焊缝截面处可能存在剪力。

1) 计算焊缝截面处的剪力, 根据平衡公式:

2) 计算焊缝截面处的应力, 根据平衡公式:

因此, 该环焊缝在此状态下能够进行热处理工作, 无需额外加固。

2.2 立式姿态下的应力计算

立式姿态时, 合体焊缝承受上半段 (卧式的右半段) 壳体的重力, 此时焊缝内部主要是抗压应力, 钢材的抗压应力与抗拉应力大小相近, 因此可以借用许用应力值来校核抗压强度。

焊缝截面的抗压应力:

因此, 该环焊缝在次状态下能够进行热处理工作, 无需额外加固。

3 结语

该压力容器不论在卧式还是立式姿态下, 都能够可靠地进行热处理, 这与该容器未加装内件及壳体壁厚较大有直接关系。若为大直径薄壁容器或载荷荷密密度度较较大大时, 应力可能会超出许用应力, 应采取加固固或或其其他他措措施。