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殘余應力分析-為什么說殘余應力分析重要,以焊接為例。
新聞出處:   2023-08-17 16:20:37
今天咱們以焊接為例,為大家講解為什么殘余應力分析如此重要,首先咱們先從殘余應力的產生原因、焊接殘余應力對焊接結構的影響、殘余應力分析研究的意義幾大方面為大家進行講解,下面讓咱們一起來看看為啥殘余應力分析這么重要。

焊接過程是一個先局部加熱,然后再冷卻的過程。焊件在焊接時產生的變形稱為熱變形,焊件冷卻后產生的變形稱為焊接殘余變形,這時焊件中的應力稱為焊接殘余應力。焊接應力包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應力,垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力和沿厚度方向的焊接應力。焊接殘余應力產生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的。焊接

應力按其發生源來區分,有如下3種情況:

(1)直接應力是進行不均勻加熱和冷卻的結果,它取決于加熱和冷卻時的溫度梯度,是形成焊接殘余應力的主要原因。

(2)間接應力是由焊前加工狀況所造成的壓力。構件若經歷過軋制或拉拔時,都會使之具有此類殘余應力。這種殘余應力在某種場合下會疊加到焊接殘余應力上去,而在焊后的變形過程中,往往也具有附加性的影響。另外,焊件受外界約束產生的附加應力也屬于此類應力。

(3)組織應力是由組織變化而產生的應力,也就是相變造成的比容變化而產生的應力。它雖然因含碳量和材料其它成分不同而有異,但一般情況下,這種影響必須要加以考慮的是,發生相變的溫度和平均冷卻速度。

焊后消除應力處理:

(1)整體熱處理:消除應力的程度主要決定于材質的成分、組織、加熱溫度和保溫時間。低碳鋼及部分低合金鋼焊接構件在650度,保溫20~40h,可基本消除全部殘余應力。另外還有爆炸消除應力。

(2)局部熱處理:大型焊接結構,受加熱爐的限制或要求不高時采用這種方法??刹捎没鹧?、紅外、電阻、感應等加熱方式,應保持均勻加熱并具有一定的加熱寬度。低合金高強鋼,一般在焊縫兩側各100~200mm。

(3)機械拉伸、水壓試驗、溫差拉伸、振動法等這幾種方法只能消除20~50%的殘余應力,前兩種方法在生產上廣泛應用。

焊接后進行去應力處理,有自然時效處理(時間長,去應力不徹底,)、震動時效(效率高,費用低,只能去除焊接應力的70%左右)人工加熱時效( 時間短費用較高,能100%去除焊接應力,同時能進行去氫處理)。

焊接殘余應力對焊接結構的影響

(1)對結構剛度的影響 當外載產生的應力。與結構中某區域的殘余應力疊加之和達到屈服點o。時,這一區域的材料就會產生局部塑性變形,喪失了進一步承受外載的能力,造成結構的有效截面積減小,結構的剛度也隨之降低。結構上有縱向和橫向焊縫時(例如工字梁上的肋板焊縫),或經過火焰校正,都可能在相當大的截面上產生殘余拉伸應力,雖然在構件長度上的分布范圍并不太大,但是它們對剛度仍然能有較大的影響。

(2)對受壓桿件穩定性的影響 當外載引起的壓應力與殘余應力中壓應力疊加之和達到o。,這部分截面就喪失進一步承受外載的能力,這樣就削弱了桿件的有效截面積,并改變了有效截面積的分布,使穩定性有所改變。殘余應力對受壓桿件穩定性的影響大小,與殘余應力的分布有關。

(3)對靜載強度的影響如果材料是脆性材料,由于材料不能進行塑性變形,隨著外力的增加,構件中不可能應力均勻化。應力峰值將不斷增加,直至達到材料的屈服極限,發生局部破壞,最后導致整個構件斷裂。脆性材料殘余應力的存在,會使承載能力下降,導致斷裂。對于塑性材料,在低溫環境下存在三向拉伸殘余應力的作用,會阻礙塑性變形的產生,從而也會大大降低構件的承載能力。

(4)對疲勞強度的影響殘余應力的存在使變荷載的應力循環發生偏移,這種偏移只改變其平均值,不改變其幅值。結構的疲勞強度與應力循環的特征有關。當應力循環的平均值增加時,其極限幅值就降低,反之則提高。因此,如應力集中處存在著拉仲殘余應力,疲勞強度就降低。應力集中系數越高,殘余應力的影響也就越顯著,因此,提高疲勞強度,不僅應從調節和消除殘余應力著手,而且應從工藝和設計上來降低結構的應力集中系數,從而降低殘余應力對疲勞強度的不利影響。

(5)對應力腐蝕開裂的影響應力腐蝕開裂是殘余拉應力和化學腐蝕共同作下產生裂縫的現象,在一定的材料和介質的組合下發生。應力腐蝕開裂所需時間與殘余應力大小有關,殘余拉應力越大,應力腐蝕開裂的時間越短。

殘余應力分析研究的意義

焊接殘余應力會嚴重影響焊接結構的使用性能,可能引起結構的脆性斷裂,拉伸殘余應力會降低疲勞強度和腐蝕抗力,壓縮殘余應力會減小穩定性極限,焊接殘余應力是焊件產生變形和開裂等工藝缺陷的主要原因。由于焊接殘余應力的測定程序麻煩,計算殘余應力又極為復雜,因此給殘余應力的研究帶來了許多困難,對焊接結構的殘余應力研究就顯得尤為重要。

隨著現代科學技術的發展,數值模擬技術的地位顯得越來越重要。焊接是一個涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜過程,一旦各種焊接現象能夠實現計算機模擬,我們就可以通過計算機系統來確定各種材料的最佳設計、最佳工藝和焊接參數。焊接工藝過去一般總是憑經驗,通過一系列的試驗或根據經驗公式獲得,通過數值模擬則可以大大節約人力、物力和時間,尤其是復雜的大型結構。隨著有限元法和計算機技術的飛速發展,越來越多的焊接工作者利用數值模擬來研究焊接問題,并取得了不少成果。
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