關(guān)于焊接應(yīng)力應(yīng)變問題的分析與探討(2)

    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(xiàn)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(xué)熔點以前,這種應(yīng)變一直是拉伸塑性應(yīng)變。當(dāng)溫度降到力學(xué)熔點以后,焊縫開始出現(xiàn)彈性拉伸應(yīng)變和拉應(yīng)力�？梢钥闯�,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(xiàn)作者認(rèn)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(rèn)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(xiàn)5認(rèn)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(xiàn)。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(yuǎn)沒有達(dá)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(xiàn)5的作者始終認(rèn)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(dāng)。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�！爆F(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(dāng)，這個“相當(dāng)”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(dāng)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(rèn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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�？梢哉f一系列質(zhì)疑都是由此而引起的[7]�！边@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(jī)理討論
   文獻(xiàn)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�！痹谌酆暇�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(xiàn)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�！边@是符合邏輯的解釋，而關(guān)于液化裂紋很短的現(xiàn)象文獻(xiàn)8又進(jìn)一步給出了細(xì)致的解釋，值得借鑒。
          

    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(rèn)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(xué)者的認(rèn)可，但是經(jīng)典力學(xué)的觀點因為有了力才有可能產(chǎn)生變形，當(dāng)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(fù)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(jìn)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(jìn)而產(chǎn)生了拉伸塑性變形，當(dāng)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(rèn)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(dá)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(rèn)為塑性變形是殘余應(yīng)力存在的原因。