關(guān)于焊接應(yīng)力應(yīng)變問題的分析與探討

作者：楊建國 張學秋 劉雪松 方洪淵 摘要：傳統(tǒng)的觀點認為在焊縫及近縫區(qū)存在著殘余壓縮塑性應(yīng)變，而近幾年有學者提出焊縫不存在殘余壓縮塑性應(yīng)變，只存在拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，在焊后焊縫當中不可能存在殘余壓縮塑性變形，從而對消除殘余應(yīng)力的方法進行了重新論述，現(xiàn)根據(jù)這種新的觀點及消除殘余應(yīng)力的若干問題，通過對接焊縫的數(shù)值模擬來驗證這種新觀點是否正確，并就消除殘余應(yīng)力應(yīng)變問題針對一些矛盾的觀點進行分析和討論。 關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力，應(yīng)變，數(shù)值模擬 0序言 1965年，前蘇聯(lián)尼古拉也夫Г﹒А院士分析了焊接應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程，其原理見圖１，在鋼板中心區(qū)為壓應(yīng)力和壓應(yīng)變區(qū)，而板的兩側(cè)為拉應(yīng)力和拉應(yīng)變區(qū)。在大約200 ℃以上的區(qū)域產(chǎn)生壓縮塑性變形，在600 ℃以上的區(qū)域，壓縮塑性變形為α·T ，式中α為線膨脹系數(shù)，T 為溫度［１］；此外，前蘇聯(lián)的H. O. 奧凱爾勃洛姆和C. A 庫茲米諾夫也認為焊接加熱過程中焊縫和近縫區(qū)的金屬熱膨脹應(yīng)變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。焊接冷卻過程中該壓縮塑性應(yīng)變被拉 圖1 　低碳鋼板焊接縱向應(yīng)力應(yīng)變分布 Fig. 1 Longitudinal stress and strain distribution patterns 伸抵消一部分，但焊后仍殘留部分壓縮塑性應(yīng)變，稱為殘余壓縮塑性應(yīng)變［２］［３］。并用來分析和預(yù)測焊接殘余應(yīng)力和變形。從而可以看出傳統(tǒng)的觀點，無論是尼古拉也夫Г﹒А院士還是H. O. 奧凱爾勃洛姆和C. A 庫茲米諾夫，都認為焊縫存在壓縮塑性變形。近幾年，沈陽金屬所的王者昌研究員提出了一種新的觀點認為“對于焊縫金屬來說，并不存在加熱階段。在冷卻過程中除相變外，都受到拉伸，也就是說不存在壓縮，更不會出現(xiàn)壓縮塑性變形。”究竟是傳統(tǒng)的殘余壓縮塑性應(yīng)變理論正確還是王者昌研究員的觀點正確，現(xiàn)以低碳鋼對接焊縫的數(shù)值模擬來分析和驗證焊縫的殘余應(yīng)力和殘余壓縮塑性應(yīng)變的正確性。 1．對接焊縫的數(shù)值模擬 過去人們在研究焊接應(yīng)力與應(yīng)變方面大多采用解析法，但是由于該方法是基于平截面假設(shè)的前提下，并簡化了諸多條件和因素，進行了多種假設(shè)后而進行的計算，掩蓋了許多現(xiàn)象，伴隨著計算機技術(shù)在焊接研究中的廣泛應(yīng)用，以數(shù)值模擬的方法來分析焊接應(yīng)力應(yīng)變及預(yù)測焊接變形已經(jīng)成為了一種主要手段，雖然焊接數(shù)值模擬技術(shù)是從解析法發(fā)展起來的，但其可以定量地分析焊接行為的整個動態(tài)變化，能夠近于準確地演示熱彈塑性應(yīng)力和應(yīng)變非線性變化的復雜變化過程，由于數(shù)值模擬技術(shù)在近30年來取得的進展及在研究焊接問題上受到的認可，現(xiàn)在就采用數(shù)值模擬的方法來分析一下熔化焊焊縫及近縫區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變情況。 傳統(tǒng)的殘余壓縮塑性應(yīng)變的觀點一直假設(shè)是線熱源對焊縫一起加熱或認為焊縫本身作為待熔化金屬的一部分，焊接不過是在已存在的焊縫上面加熱而并不熔化來研究焊縫的應(yīng)力和應(yīng)變問題，從而使得出的殘余壓縮塑性應(yīng)變理論受到了質(zhì)疑，新觀點認為加熱了卻不熔化，這種過程不能稱為焊接，即提出了必須考慮實際焊接情況，因此有了焊接應(yīng)力與應(yīng)變問題上的爭議，問題的提出很有實際意義，為了驗證熔化焊焊縫及近縫區(qū)在焊接過程中應(yīng)力和應(yīng)變情況，對薄板熔焊對接接頭進行了數(shù)值模擬，模擬試件材料采用Q235鋼作為焊接母材，尺寸為500×160×3mm，應(yīng)用的模擬軟件為MSC.Marc，因焊接接頭的幾何對稱性，取寬度方向一半建立有限元模型。焊縫及近縫區(qū)網(wǎng)格劃分較密，而遠離焊縫的母材邊緣網(wǎng)格變疏，共24743個節(jié)點，16000個單元，模型見圖2。力學分析中，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，不允許垂直于對稱平面的位移，其它約束的施加防止剛體轉(zhuǎn)動即可。因為焊接過程的復雜性，采用小位移、小應(yīng)變的彈塑性增量理論進行焊接殘余應(yīng)力的計算。材料的物性參數(shù)與力學參數(shù)隨溫度而變，屬于材料非線性。材料的屈服判據(jù)用Von Mises屈服準則，塑性區(qū)上的行為服從流變法則，同時假設(shè):材料各向同性;不考慮粘性和蠕變的影響。材料遵循線性硬化模式[4]。從圖3可以 看出，薄板熔焊對接接頭冷卻后，焊縫及近縫區(qū)縱向存在著殘余壓縮塑性應(yīng)變，驗證了傳統(tǒng)觀點的正確性。 2焊接殘余應(yīng)力與應(yīng)變問題分析與討論 2．1焊縫的殘余壓縮塑性應(yīng)變與加熱過程的聯(lián)系 文獻5在討論應(yīng)力和應(yīng)變的分布時指出：“焊縫一直承受拉伸應(yīng)變,在溫度降到力學熔點以前,這種應(yīng)變一直是拉伸塑性應(yīng)變。當溫度降到力學熔點以后,焊縫開始出現(xiàn)彈性拉伸應(yīng)變和拉應(yīng)力。可以看出,焊縫從凝固溫度降到室溫的全過程中不存在壓應(yīng)力和壓應(yīng)變,更不存在壓縮塑性變形。至于熔池前沿升溫膨脹產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變和變形,因為焊縫尚未形成,故不能算作焊縫的壓縮塑性變形。”提出了與傳統(tǒng)觀點不同的說法，文獻作者認為：傳統(tǒng)的觀點忽略了一個最基本的事實，即板中心區(qū)(焊縫及近縫區(qū)) 處于冷卻過程，而不是加熱過程，在這兩個過程中，應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程是不同的， 并提出了另一種觀點，因而認為焊接時焊縫是否存在壓縮塑性變形以及隨之而來的消除應(yīng)力原理問題尚待研究。文獻5認為焊縫的形成僅與冷卻過程有關(guān)，而與加熱過程沒有關(guān)系，而沒有考慮加熱階段，但是焊縫的形成是有多種因素綜合作用的結(jié)果， 加熱過程是焊縫形成的一個必要條件。是焊接行為的整個過程才積淀了最后的殘余壓塑塑性應(yīng)變，殘余壓縮塑性應(yīng)變是這一過程中的最終結(jié)果，如果只而不是Tm →0形成的才是焊縫，而要考證這一結(jié)果就要考慮勢必有些片面。熱影響區(qū)內(nèi)金屬所產(chǎn)生的壓縮塑性變形是始終存在的，其對焊接應(yīng)力與變形的形成同樣有重要的貢獻。為了驗證加熱過程對殘余壓縮塑性應(yīng)變是否有影響，利用圖2所示有限元模型，只改變材料的加熱溫度，計算熱影響區(qū)塑性應(yīng)變的瞬態(tài)變化過程，用以模擬近縫區(qū)應(yīng)變演化歷程。從圖4中可以看出焊縫中心的峰值溫度為957℃，雖然高于600℃，但遠沒有達到熔點，而由此溫度場在加熱階段引起了壓縮塑性應(yīng)變，而在冷卻的過程中產(chǎn)生了拉伸塑性應(yīng)變，縱向塑性應(yīng)變經(jīng)歷了由壓縮塑性應(yīng)變到拉伸塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變過程。因此加熱過程是不能忽略的。 2.2焊件縱向變形討論 由于文獻5的作者始終認為焊縫不存在加熱過程，所以為了解釋焊件縮短指出了：“焊縫受拉伸，不等于此處的金屬一直受拉伸，在熔池前沿的金屬受熱產(chǎn)生明顯的壓縮塑性變形。這種壓縮塑性變形量與焊縫冷卻拉伸變形量相當。此外，熔池凝固還會產(chǎn)生大約3 %收縮。三項合在一起，總的結(jié)果是產(chǎn)生了收縮變形，焊件變短了。可以說焊件變短主要是由于金屬局部熔化隨后凝固收縮造成的。”現(xiàn)在來分析一下這個問題，焊縫受拉伸不等于此處的金屬一直受拉伸，也就是說還存在著壓縮，那么又提出這種壓縮塑性變形量與焊縫冷卻拉伸的變形量相當，這個“相當”意思也就是基本上相互抵消，可是理論依據(jù)和實驗依據(jù)不清楚，為什么會變形量相當沒有給出解釋和說明，從傳統(tǒng)的觀點來看壓縮的變形量和拉伸的變形量是不可能相等的，傳統(tǒng)觀點始終認為焊縫存在殘余壓縮塑性應(yīng)變，而對接焊縫的數(shù)值模擬的結(jié)果也顯示焊縫在完成整個焊接過程后，縱向只存在著壓縮塑性應(yīng)變，這也說明由于加熱過程中產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變大于冷卻過程中產(chǎn)生的拉伸塑性應(yīng)變，與傳統(tǒng)的殘余壓縮塑性應(yīng)變的觀點是相吻合的，文獻5作者最后將熔池凝固產(chǎn)生的近3 %歸結(jié)為焊件縱向縮短著實值得商榷，而相關(guān)文獻對這3%的收縮給予了合理的解釋：“熔池凝固大約3 %的收縮，甚至材料在彈性喪失溫度以上冷卻時的收縮對最終的殘余應(yīng)力和變形影響是不大的。因為此時材料處于熱塑性狀態(tài)，熱收縮應(yīng)變受到周圍較冷金屬的約束被拉伸塑性應(yīng)變所抵消。文獻作者忽略了一個最重要的因素，也就是焊縫金屬從高溫，特別從彈性喪失溫度冷卻至室溫時的熱收縮應(yīng)變，正是該應(yīng)變起著與壓縮塑性應(yīng)變同樣的作用。可以說一系列質(zhì)疑都是由此而引起的[7]。”這里面的分析很符合邏輯和熱彈塑性分析的基本規(guī)律，從而可以判定熔池凝固還會產(chǎn)生大約3 %收縮不是主要原因，其主要原因是其產(chǎn)生的拉伸塑性應(yīng)變小于壓縮塑性應(yīng)變，所以產(chǎn)生了殘余壓縮塑性應(yīng)變， 這是主要原因，而由于從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變也產(chǎn)生的大約3%左右的收縮也是因素之一，但只是次要原因。 2.3液化裂紋形成機理討論 文獻6指出：“在熔合線兩側(cè)，隨離熔合線的距離增加，縱向拉伸應(yīng)變急劇減小，這就很容易解釋如圖6 所示的液化裂紋分布在熔合線兩側(cè)和裂紋很短的現(xiàn)象。如果按照焊縫存在壓縮塑性變形的觀點，這種裂紋就不會出現(xiàn)了。因為焊縫一直處在冷卻過程中，它冷卻收縮受阻，承受拉伸應(yīng)變。因此除相變外，焊縫不可能出現(xiàn)壓應(yīng)變和壓縮塑性變形。”在熔合線兩側(cè)，隨離熔合線的距離增加，縱向拉伸應(yīng)變急劇減小， 從而來解釋液化裂紋很短的現(xiàn)象，是合理的和正確的，但是對于焊縫存在壓縮塑性變形裂紋就不會出現(xiàn)了，這種觀點在邏輯上不能完全成立，首先焊縫產(chǎn)不產(chǎn)生裂紋和壓縮塑性變形不存在直接的邏輯推理關(guān)系，因為產(chǎn)生的塑性變形本身是不可逆的，在加熱過程中產(chǎn)生的塑性變形，在冷卻過程中已經(jīng)保留了下來，在這一過程中不會產(chǎn)生液化裂紋，這是肯定的，而在冷卻過程中產(chǎn)生了拉伸塑性變形，而液化裂紋就是在冷卻拉伸的過程中產(chǎn)生的，關(guān)于這個問題，文獻7的給出了時間上的解釋：“在加熱過程中產(chǎn)生了壓縮塑性應(yīng)變，而在高溫冷卻下來時，這時產(chǎn)生的是拉伸塑性應(yīng)變，也是熔合線處產(chǎn)生液化裂紋等熱裂紋的原因之一，它與加熱過程中產(chǎn)生的是壓縮塑性應(yīng)變無關(guān)。拉伸與壓縮塑性應(yīng)變是在不同時刻發(fā)生的，并不矛盾。”這是符合邏輯的解釋，而關(guān)于液化裂紋很短的現(xiàn)象文獻8又進一步給出了細致的解釋，值得借鑒。 圖6 　液化裂紋示意圖 Fig.6　Schematic illustration of liquation cracks 2.4 殘余應(yīng)力和塑性變形的因果關(guān)系討論 傳統(tǒng)的觀點始終認為由于焊后塑性分布的不均勻性分布是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的根源，也就是由于有了塑性變形才產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，多年以來持這一觀點一直得到了界內(nèi)很多學者的認可，但是經(jīng)典力學的觀點因為有了力才有可能產(chǎn)生變形，當外力超過了材料的屈服極限才會產(chǎn)生塑性變形，而在屈服極限以下理想的彈塑性體將恢復到原始狀態(tài)，就焊接過程而言，在熔池前沿由于移動熱源的作用，低溫區(qū)的金屬對高溫區(qū)有一個阻礙作用，在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生了壓縮塑性應(yīng)變，而在進入熔池以后，應(yīng)力趨于零點，而在冷卻的過程中，由于平衡焊縫金屬的熱收縮作用而產(chǎn)生了拉應(yīng)力，進而產(chǎn)生了拉伸塑性變形，當焊縫金屬冷卻至彈性溫度以內(nèi)產(chǎn)生了彈性拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力，因此作者認為：第一，應(yīng)力與變形的關(guān)系為：應(yīng)力是變形產(chǎn)生的原因或“推動力”，變形是應(yīng)力作用或存在的表現(xiàn)，彈性變形是應(yīng)力存在的表征，關(guān)系為虎克定律，塑性變形是應(yīng)力達到極限狀態(tài)（屈服）表征或證據(jù)，塑性變形量不反映應(yīng)力的變化情況。第二，殘余應(yīng)力作為內(nèi)應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)自身平衡。殘余應(yīng)力是構(gòu)件應(yīng)力分布的不均勻性的反映，這種不均衡可以使構(gòu)件發(fā)生變形（即殘余變形）。第三，塑性變形是材料曾經(jīng)發(fā)生屈服這一歷史經(jīng)歷的記錄，不應(yīng)將塑性變形看成是一種持續(xù)存在，因此塑性變形不會影響殘余應(yīng)力的分布，只與彈性變形相互關(guān)聯(lián)，同時存在；第四，塑性變形量可用來描述和計算殘余應(yīng)力，但不能由此認為塑性變形是殘余應(yīng)力存在的原因。 3 關(guān)于消除殘余應(yīng)力原理的論述 首先，“消除”殘余應(yīng)力的提法有些欠妥，因為在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生的拉應(yīng)力被遠離焊縫的母材邊緣的壓應(yīng)力所平衡，其焊后總的內(nèi)應(yīng)力為0，所謂消除殘余應(yīng)力，只是改變了殘余應(yīng)力的分布特征，使其分布趨于“均勻”，而應(yīng)該敘述為調(diào)整，而不是“消除”。《焊接手冊》（3）在消除殘余應(yīng)力方法的敘述中多次提到焊縫存在壓縮塑性變形。例如，采用溫差拉伸法時，“兩側(cè)的金屬受熱膨脹對溫度較低的焊縫區(qū)進行拉伸，使之產(chǎn)生拉伸塑性變形以抵消原來的壓縮塑性變形”。采用機械拉伸法時，“ 焊縫壓縮塑性變形得到拉伸并屈服，從而減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內(nèi)應(yīng)力降低”。采用滾壓法時，“焊后用窄輪滾壓焊縫和近縫區(qū)，可達到補償焊接所造成的壓縮塑性變形的目的[9]。”而在文獻5中，由于作者沒有考慮加熱階段，所以在這樣一個基礎(chǔ)上提出了“例如，對于薄板單道焊而言，機械拉伸法消除應(yīng)力為通過加載拉伸，使焊縫和近縫區(qū)產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而使彈性拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力減少。溫差拉伸法:兩側(cè)的金屬因受熱膨脹對溫度較低的焊縫區(qū)進行拉伸，使之產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而使彈性拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力減少。滾壓法則為用窄輪滾壓焊縫和近縫區(qū)，產(chǎn)生拉伸塑性變形，使彈性拉伸應(yīng)變和拉應(yīng)力減小。”兩種論述雖然不同，但是兩者表達的意思卻都是怎樣來消除殘余應(yīng)力，而焊接的殘余應(yīng)力本身就為0，談不到消除的問題，所謂的消除中只是改變了內(nèi)應(yīng)力的分布特征。 4結(jié)論 1．焊接行為的整個過程才積淀了最后的殘余壓塑塑性應(yīng)變，所以焊接殘余應(yīng)力的研究應(yīng)該考慮加熱過程。 2.應(yīng)力與變形的關(guān)系為：應(yīng)力是變形產(chǎn)生的原因或“推動力”，變形是應(yīng)力作用或存在的表現(xiàn)，彈性變形是應(yīng)力存在的表征，關(guān)系為虎克定律，塑性變形是應(yīng)力達到極限狀態(tài)（屈服）表征或證據(jù)，塑性變形量不反映應(yīng)力的變化情況，殘余應(yīng)力作為內(nèi)應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)自身平衡。殘余應(yīng)力是構(gòu)件應(yīng)力分布的不均勻性的反映，這種不均衡可以使構(gòu)件發(fā)生變形（即殘余變形）。 3.塑性變形是材料曾經(jīng)發(fā)生屈服這一歷史經(jīng)歷的記錄，不應(yīng)將塑性變形看成是一種持續(xù)存在，因此塑性變形不會影響殘余應(yīng)力的分布，只與彈性變形相互關(guān)聯(lián)，同時存在，塑性變形量可用來描述和計算殘余應(yīng)力，但不能由此認為塑性變形是殘余應(yīng)力存在的原因。 4. “消除”殘余應(yīng)力的提法欠妥，在焊縫及其附近產(chǎn)生的拉應(yīng)力被遠離焊縫的母材邊緣的壓應(yīng)力所平衡，其焊后總的內(nèi)應(yīng)力為0，所謂消除殘余應(yīng)力，只是改變了殘余應(yīng)力的分布特征，使其分布趨于“均勻”，而不是“消除”。 參考文獻: 1．НикопаевГА. Расчет сварных соединеии ипрочностьсварных конструкции[М] . ИЗДАТЕЛЬСТВО，1965. 155～158. 2.奧凱爾勃洛姆H O. 焊接應(yīng)力與變形[M] . 雷原譯. 北京:中國工業(yè)出版社，1958. 3.庫茲米偌夫C A. 船體結(jié)構(gòu)的焊接變形[M] . 北京:國防工業(yè)出版社，1978. 4.李菊. 鈦合金低應(yīng)力無變形焊接過程機理研究.北京工業(yè)大學博士學位論文， 55～56. 5.王者昌. 關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討[J].焊接學報，2000，21 (2):55～58. 6.王者昌，陳懷寧．關(guān)于焊接應(yīng)力變形兩個問題的進一步探討[J].焊接學報，2002，23 (5):69~72. 7.汪建華．焊接殘余應(yīng)力形成機制與消除原理若干問題的討論[J].焊接學報，2002，23（3）：75～79. 8.王者昌．關(guān)于焊接應(yīng)力應(yīng)變問題的再探討[J].焊接學報，2006，27（8）：107～112. 9.中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(3) (第二版) [M] . 北京:機械工業(yè)出版社，2001.

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這是篇值得一讀的好文章！但該文認為，消應(yīng)提法欠妥的觀點，卻可能欠妥，值得進一步討論。內(nèi)力平衡與合力為零，和不存在內(nèi)力，是兩碼事！

{:soso_e181:}

消除殘余應(yīng)力改為降低殘余應(yīng)力？“消應(yīng)”改為“降應(yīng)”。

文章不錯，敢向權(quán)威發(fā)表不同的看法。贊一個。{:soso_e179:}。只是有個小問題。假若焊件部分受拘束，當焊接的殘余應(yīng)力大于屈服極限時，受拘束的部分由于不能產(chǎn)生變形，應(yīng)力大于屈服極限。而不受拘束的地方可以自由收縮，應(yīng)力應(yīng)該不超過材料的屈服極限。那么這是不是塑性變形影響了殘余應(yīng)力的分布。

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