關(guān)于焊接應(yīng)力應(yīng)變問題的分析與探討(1)

    摘要：傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)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(xué)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(dāng)中不可能存在殘余壓縮塑性變形，從而對(duì)消除殘余應(yīng)力的方法進(jìn)行了重新論述，現(xiàn)根據(jù)這種新的觀點(diǎn)及消除殘余應(yīng)力的若干問題，通過對(duì)接焊縫的數(shù)值模擬來驗(yàn)證這種新觀點(diǎn)是否正確，并就消除殘余應(yīng)力應(yīng)變問題針對(duì)一些矛盾的觀點(diǎn)進(jìn)行分析和討論。
    關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力，應(yīng)變，數(shù)值模擬
    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(kù)茲米諾夫也認(rèn)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(cè)焊接殘余應(yīng)力和變形。從而可以看出傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，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(kù)茲米諾夫，都認(rèn)為焊縫存在壓縮塑性變形。近幾年，沈陽(yáng)金屬所的王者昌研究員提出了一種新的觀點(diǎn)認(rèn)為“對(duì)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(huì)出現(xiàn)壓縮塑性變形�！本烤故莻鹘y(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(diǎn)正確，現(xiàn)以低碳鋼對(duì)接焊縫的數(shù)值模擬來分析和驗(yàn)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(duì)接焊縫的數(shù)值模擬
   過去人們?cè)谘芯亢附討?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(jiǎn)化了諸多條件和因素，進(jìn)行了多種假設(shè)后而進(jìn)行的計(jì)算，掩蓋了許多現(xiàn)象，伴隨著計(jì)算機(jī)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(cè)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(gè)動(dòng)態(tài)變化，能夠近于準(zhǔn)確地演示熱彈塑性應(yīng)力和應(yīng)變非線性變化的復(fù)雜變化過程，由于數(shù)值模擬技術(shù)在近30年來取得的進(jìn)展及在研究焊接問題上受到的認(rèn)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(diǎn)一直假設(shè)是線熱源對(duì)焊縫一起加熱或認(rèn)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(diǎn)認(rèn)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(shí)際焊接情況，因此有了焊接應(yīng)力與應(yīng)變問題上的爭(zhēng)議，問題的提出很有實(shí)際意義，為了驗(yàn)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(duì)薄板熔焊對(duì)接接頭進(jìn)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(duì)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(yuǎn)離焊縫的母材邊緣網(wǎng)格變疏，共24743個(gè)節(jié)點(diǎn)，16000個(gè)單元，模型見圖2。力學(xué)分析中，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，不允許垂直于對(duì)稱平面的位移，其它約束的施加防止剛體轉(zhuǎn)動(dòng)即可。因?yàn)楹附舆^程的復(fù)雜性，采用小位移、小應(yīng)變的彈塑性增量理論進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算。材料的物性參數(shù)與力學(xué)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(zhǔn)則，塑性區(qū)上的行為服從流變法則，同時(shí)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(duì)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(yàn)證了傳統(tǒng)觀點(diǎn)的正確性。