激光冲击载荷对低合金钢焊件残余应力场的影响
浅谈低合金高强度结构钢焊接性能研究
浅谈低合金高强度结构钢焊接性能研究摘要：屈服强度为460MPa（S460M）及以上的结构钢用于桥梁、建筑和风电机组塔架的施工，以及铁路货运金属结构的制造。
与St3和09G2S产品相比，使用高强度轧制钢可使结构中的金属总含量降低80%，在这种强度等级的低合金钢结构中，其焊接性的研究成为一个相关的问题。
众所周知，在焊接过程中，金属热影响区（HAZ）会发生结构变化，从而导致力学性能的变化。
为此，本文研究了热焊接循环对金属热影响区性能和组织的影响，特别是抗冷裂性能的影响。
本文论证了S490钢强度用焊接材料的选择，分析了焊接性能的变化。
关键词：低合金；高强度；结构钢；焊接性能引言：强度等级S350及以上的结构钢被广泛应用于金属结构的制造中。
与St.3和09G2S级钢的产品相比，它们的应用大大降低了结构的总金属消耗。
本文研究了焊接热循环对热影响区金属支柱和组织的影响，以及焊接接头对冷裂纹形成的影响。
对S 490级强度钢焊接耗材的选择进行了论证，并对焊接接头力学性能的变化进行了分析。
结果表明，随着冷却速率的增加，模型试件的热影响区金属强度增加，延性降低。
1.低合金高强度结构钢现代工业、建筑业和电力工程的发展，对金属结构在降低金属消耗、提高可靠性方面提出了新的要求。
在现代生产中开发高强度钢主要有两种方法。
第一种方法是应用合金元素提高强度特性。
但这种方法导致轧制金属的成本明显增加。
合金化的替代方法是金属的热变形硬化或随后热处理的可控制轧制。
这些钢包括高强度低合金钢S460M（强度等级S490），与铌和钒微合金化。
根据标准EN10025-4的数据，该钢具有以下力学性能：s y>460MPa，st=540-720 MPa，d5>18%，KCV-40>27J/cm2。
[1]2.低合金高强度结构钢焊接性能研究2.1焊接接头的具体要求研究使用尺寸为120×12×12 mm的模型试样进行，这些试样在安装MSR-75[9]中按照焊接热循环进行热处理。
焊接工艺对焊接残余应力的影响
焊接工艺对焊接残余应力的影响焊接是一种常用的金属连接方法，它的基本原理是在金属表面加热到熔点，并施加适当的压力，使金属发生熔化和冷却凝固的过程。
然而，在焊接过程中，由于金属的热膨胀和冷却收缩，会产生焊接残余应力。
这些应力不仅会影响焊接件的性能和寿命，还可能导致焊接接头的变形和裂纹。
因此，研究焊接工艺对焊接残余应力的影响是非常重要的。
一、焊接残余应力的形成机理焊接残余应力是指当焊接接头冷却后，由于冷却速度的不均匀和金属固态相变引起的体积收缩，使得焊接接头内部存在一定的残余应力。
焊接残余应力的形成机理主要包括以下几个方面：1. 热效应：焊接过程中的高温会引起焊接接头的局部加热和膨胀，而冷却过程中的快速降温又会引起金属的快速收缩，从而产生应力。
2. 宏观应变：焊接时，由于焊接接头的收缩受到约束，导致成分和结构发生变化，从而产生应力。
3. 相变热效应：焊接过程中，当焊缝区域的温度达到相变温度时，会产生相变热效应，导致局部区域的热膨胀或热收缩，进而产生应力。
二、焊接工艺参数的选择和控制对焊接残余应力的影响非常大。
以下是几个常见的焊接工艺对焊接残余应力的影响：1. 焊接电流和电压：焊接电流和电压对熔池的形成以及焊接接头的加热和冷却速度有直接影响。
较高的电流和电压会使熔池较大，并且使金属加热和冷却的速度快，从而产生较高的残余应力。
2. 焊接速度：焊接速度是指焊接过程中的焊接头的移动速度。
较高的焊接速度会导致焊缝短时间内的加热和冷却，从而产生较高的残余应力。
3. 焊接预热温度和保温时间：预热温度和保温时间可以改变焊接接头的温度分布和冷却速率。
适当的预热温度和保温时间可以减缓金属的冷却速度，缓解残余应力的产生。
4. 焊接序列和方向：焊接的序列和方向可以影响焊接残余应力的分布。
合理选择焊接的序列和方向可以使应力得到均匀分布，减少局部区域的应力集中。
5. 退火处理：退火是通过加热和保温来消除焊接件内部的残余应力。
合理的退火处理可以有效减小焊接残余应力。
试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用
试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用作者张红随着社会经济及科学技术的发展，钢结构以其材料强度高、自重轻、延性及抗震性好、工业化程度高、施工速度快等多个优点在现代化建设中得到了广泛的应用。
钢结构是利用钢材设计制作成构件后通过一定的连接方式将构件连接形成的，焊接是常用的钢构件连接方法，焊接过程中产生的焊接残余应力对钢结构有着较大的影响，是实际工程中需关注的主要问题之一。
1焊接残余应力的产生原因焊接残余应力产生的主要原因是焊接过程中的局部不均匀热输入。
按应力分布形式分以下三种：1.1纵向残余应力沿焊缝长度方向的残余应力称为纵向残余应力（如下图1）,钢材焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，在焊接时，温度很高的焊缝及其附近区域和温度较低的临近区域会产生不均匀的温度场，进而产生不均匀的膨胀，低温度区的钢材膨胀小，限制高温度区钢材膨胀，产生热塑性压缩，冷却时，焊缝两侧钢材又会限制塑性压缩引起的焊缝缩短，产生纵向拉应力，由于焊接残余应力是一种内应力，无荷载作用，需要在焊件内部自相平衡，从而导致焊件上距焊缝稍远产生压应力。
图1纵向残余应力分布图2横向残余应力分布1.2横向残余应力横向残余应力是指垂直于焊缝方向的残余应力（如上图2）,受到塑性压缩焊缝的纵向收缩可使焊缝两侧的钢板形成反向弯曲变形，在两块钢板间会产生横向的拉应力，同时钢板的两端形成压应力；焊接时，焊缝焊接的先后顺序不同，先焊接的焊缝先凝固，可限制后焊接焊缝的膨胀，引起横向塑性压缩变形，冷却时，先焊接已凝固的焊缝限制后焊接焊缝的收缩形成横向拉应力，同时最后焊接的焊缝末端产生拉应力，两块钢板间的横向拉应力及两端的压应力与先焊接焊缝的横向拉应力及焊缝末端的拉应力合成最终形成焊缝的横向应力。
1.3沿厚度方向的残余应力焊件采用厚钢板时，焊接时需要多层施焊，由于焊接时不同厚度方向的温度分布不均匀，冷却时表面冷却较中间快，可在焊缝中间层形成拉应力，在外层形成压应力，从而形成除纵向和横向残余应力外的沿厚度方向的残余应力。
钢结构焊接中的残余应力分析方法
能够兼顾计算精度和计算效率，适用于大型复杂 焊接结构的残余应力分析。
03
钢结构焊接中的残余应力测量技术
X射线衍射法
01
02
03
04
原理
利用X射线在晶体中的衍射现 象，通过测量衍射角的变化来 计算残余应力。
优点
非破坏性测量，对试样无损伤 ，可测量小区域和复杂形状的 构件。
缺点
设备昂贵，操作复杂，需要专 业人员进行操作和分析。
将数值模拟得到的残余应力分布结果与实验结果 进行对比分析，验证模拟的准确性。
模拟结果优化
针对误差来源进行模拟结果的优化和改进，提高 数值模拟的精度和可靠性。
ABCD
误差来源分析
分析数值模拟中可能存在的误差来源，如模型简 化、材料参数不准确等，并提出改进措施。
工程应用探讨
探讨数值模拟在钢结构焊接残余应力分析中的工 程应用前景和局限性。
原理
利用超声波在材料中的传播速 度与应力之间的关系，通过测 量超声波传播速度的变化来计
算残余应力。
优点
设备相对简单，操作方便，可 实现在线测量。
缺点
对材料表面粗糙度和温度等因 素敏感，测量结果易受干扰。
应用范围
适用于各种金属材料和构件的 表面残余应力测量。
应变片法
原理
在构件表面粘贴应变片，通过测量应 变片电阻值的变化来计算残余应力。
求解过程
采用合适的数值方法求解边界积分方 程，得到焊接过程中的温度场和应力
场分布。
材料本构关系与热源模拟
定义材料的本构关系和焊接热源模型 ，以模拟焊接过程中的热力学行为。
结果分析与验证
对求解结果进行可视化处理和数据分 析，评估残余应力的分布和影响，并 与实验结果进行对比验证。
激光冲击钛合金薄壁件动态响应及残余拉应力形成机制
激光冲击钛合金薄壁件动态响应及残余拉应力形成机制田乐;聂祥樊;罗思海;王育虔;何卫锋;李一鸣;李翔【摘要】为探究激光冲击薄壁件时残余拉应力的形成机制,利用ABAQUS软件对0.5 mm钛合金薄壁件激光冲击条件下的冲击波作用规律和材料动态响应规律展开研究.结果表明,冲击波在薄壁件内反射时交替形成高数值拉伸波和压缩波,在压缩波和拉伸波的耦合作用下应力分布混乱并呈现“多峰”特点,形成了峰值为426 MPa、厚度达0.125 mm的拉应力层,且最大残余拉应力位于表面处.基于冲击波反射规律揭示了薄壁件中残余拉应力的形成机制,并通过增加试件厚度以降低反射拉伸波强度发现5 mm厚试件内最大残余拉应力仅为70 MPa,且表面处的拉应力转化为了压应力,从而提出了通过导波等方式控制应力波反射强度的薄壁件残余应力调控方法.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(019)003【总页数】6页(P7-12)【关键词】激光冲击强化;残余拉应力;薄壁件;冲击波【作者】田乐;聂祥樊;罗思海;王育虔;何卫锋;李一鸣;李翔【作者单位】空军工程大学等离子体动力学重点实验室,西安,710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,西安,710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,西安,710038;空军工程大学航空工程学院,西安,710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,西安,710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,西安,710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,西安,710038【正文语种】中文【中图分类】V231.9;TN249随着航空发动机性能要求的不断提高，零部件朝着轻量化的趋势发展，其中压气机钛合金叶片越来越薄，且弯扭程度不断加大[1-2]，在不改变其设计外形的前提下提高疲劳性能的需求十分迫切[3]。
激光冲击强化是一种可显著提升部件疲劳强度的新型表面处理技术[4-7]，其原理是材料在激光诱导冲击波的作用下发生塑性变形，形成高数值、大深度的残余压应力。
低合金钢粗钢的冲击性能研究
低合金钢粗钢的冲击性能研究低合金钢广泛应用于工业领域，因其具有出色的强度和耐久性。
其中，冲击性能是评估低合金钢材料适用性的重要指标之一。
本文将对低合金钢粗钢的冲击性能进行研究，并分析其影响因素和提高方法。
冲击性能是指材料在受到突然作用力时能够承受的能力。
对于低合金钢粗钢而言，冲击性能的研究对于预测材料在实际应用中的表现至关重要。
冲击测试常用的方法是冲击试验，最常见的是冲击弯曲试验和冲击落锤试验。
低合金钢的冲击性能受多种因素的影响。
首先是材料的化学成分。
不同的成分会导致低合金钢材料的硬度、强度和韧性发生变化，进而影响其冲击性能。
第二个因素是显微组织结构。
晶粒尺寸、晶界、夹杂物等结构特征对冲击性能有直接影响。
此外，低合金钢的热处理和热机械处理也会对冲击性能产生影响。
为了提高低合金钢粗钢的冲击性能，可以从以下几个方面进行措施。
首先是优化材料的化学成分。
选择适当的合金元素和比例，可以增强材料的韧性和韧性变形能力，从而提高冲击性能。
其次是调控材料的显微组织结构。
通过合理控制退火工艺和热机械处理过程，可以获得细小均匀的晶粒和尽量少的夹杂物，从而提高冲击性能。
第三个方面是加强材料的热处理。
适当的淬火和回火处理可以提高低合金钢粗钢的强度和韧性，增强其冲击性能。
此外，采用热机械技术还可改善低合金钢的冲击性能。
除此之外，冲击性能的研究对低合金钢粗钢的应用具有重要意义。
通过评估冲击性能，可以了解材料对突发载荷和冲击负载的响应能力，有助于合理选择低合金钢材料，以确保在不同环境下的安全和可靠性。
此外，对低合金钢粗钢冲击性能的研究还可以为相关工程和产品的设计提供参考和指导，以满足特定的应用需求。
综上所述，低合金钢粗钢的冲击性能研究对于材料的应用和工程设计至关重要。
通过优化化学成分、显微组织结构和热处理工艺，可以提高低合金钢的冲击性能。
正确评估和了解冲击性能有助于选择合适的低合金钢材料，并保证相关工程和产品的安全和可靠性。
因此，继续深入研究低合金钢粗钢的冲击性能，将为材料科学和工程领域的发展做出贡献。
残余应力的危害及消除方法
焊接残余应力对构件的危害是1、对结构刚度的影响当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。
2、对受压杆件稳定性的影响当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点口。
，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。
这就削弱了构件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。
3、对静载强度的影响没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。
反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。
4、对疲劳强度的影响残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。
这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。
结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。
因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。
5、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的残余应力也被释放。
残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。
6、对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。
应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。
焊接残余应力消除方法有：利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。
利用预热法来控制焊接残余应力构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。
焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。
利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。
激光熔覆工艺参数对铁基双层涂层组织和残余应力的影响
％
择入射角为 ０
°、
１５
°和 ３５
°,采用交相关函数法获得
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同路径 １
同路径 １
同路径 １
同路径 １
同路径 １
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路径 ２:两层
均沿板宽方向
扫描
路径 ３:第一层
沿板长方向,
第二层沿板宽
方向
路径 ４:轮廓
偏置式扫描
路径
１４１９
力 可 以 抑 制 涂 层 内 裂 纹 的 扩 张 ,而 残 余 拉 应 力
光熔覆技 术 制 备 了 Fe 基 双 层 多 道 涂 层,研 究 了
熔 覆 层 具 有 较 大 的 残 余 应 力 ,适 当 的 残 余 压 应
和 过 大 的 压 应 力 都 会 导 致 裂 纹 产 生 ,进 而 影 响
涂层的 成 形 质 量
CrBS
i
涂 层 残 余 应 力 的 影 响 ,结 果 表 明 重 熔 区 域 表 现
为拉伸残余 应 力;
LUO 等
[
８]
采用激光冲击技术
消 除 了 涂 层 内 部 较 大 的 残 余 应 力 ,并 优 化 了 涂
象,使其具有更高的开裂 敏 感 性 [１４].本 文 采 用 激
熔覆路径、激光功率和扫描速度对涂层显微组织、
Ｇ
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钢结构焊接残余应力的影响因素与控制
钢结构焊接残余应力的影响因素与控制摘要焊接残余应力对钢结构的刚度、稳定性、疲劳性能产生影响。
焊接残余应力的影响因素、控制。
关键词焊接残余应力；因素；控制钢结构焊接是局部被高温加热、熔化，加热区域受热膨胀，随后连续冷却收缩凝固的过程。
过程中焊件存在应力场、温度场和变形场及显微组织状态场的变化，且相互影响。
当产生的热应力、相变应力、超过材料屈服极限时，在焊缝及近焊缝区产生拉应力和母材的压应力在数值上达到自身平衡时的应力状态，称为焊接残余应力。
焊接残余应力沿焊缝横向、纵向及板材厚度方向分布，对钢结构的刚度、稳定性、疲劳性能产生影响。
1 焊接残余应力的影响因素1）焊接热源。
焊接时对焊件进行局部加热，热源中心温度达1600 ℃以上，焊件上每一点距焊缝的距离不同，其温度在瞬间都在变化，温度场随时改变。
且热输入的不均匀性更增加了焊件的温度梯度，影响焊接残余应力的大小。
焊件冷却时一般是在自然条件下进行的，从800 ℃冷却至500 ℃所需的时间t8/5决定热影响区域的金相组织，影响焊接残余应力、应变的大小。
2）焊接材料。
母材的熔化温度Tm高时引起高的焊接残余应力。
线膨胀系数a、弹性模量E、屈服强度σS随温度变化，影响焊接残余应力的大小。
不同的母材其变化的总体规律是：高温条件下线膨胀系数α随温度的增加而呈线性增加；屈服强度σS、弹性模量E根据母材的不同在不同的温度区间呈曲线或直线下降。
3）相变时比容变化。
钢材加热及冷却发生相变引起比容及性能的变化。
一般情况下钢材由奥氏体转变为铁素体、珠光体的温度在700 ℃以上，不影响残余应力。
但随着冷却速度的加快或合金及碳元素的增加，在低温下发生γ-α相变，体积膨胀，产生压缩焊接残余应力。
4）焊接参数。
正常焊接条件下，在保持焊接电流不变的情况下，提高焊接速度，焊接温度场变细长，温度梯度增加，焊接残余应力增大；在保持焊接速度不变的情况下，增大焊接电流，焊接温度场变长且宽，温度梯度增加，焊接残余应力增大。
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施摘要：焊接残余应力和焊接变形是钢结构产生变形和开裂的主要原因。
本文以焊接残余应力和焊接变形为对象，分别讨论了残余应力对钢结构刚度、静力强度、疲劳强度、应力腐蚀等的影响，促使结构发生脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀开裂、低温变脆等以及造成的焊接变形的种类。
应采取措施对焊接残余应力和焊接变形加以消除和调整。
关键词：钢结构焊接残余应力焊接变形钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件，构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。
连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。
焊接连接是目前钢结构最主要的连接方式。
但在焊接过程中，在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部的裂缝一旦发生，就容易扩展到整体。
一、焊接残余应力钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。
在施焊时，焊缝及其附近区域的温度很高，而临近区域温度则急剧的下降，导致不均匀的温度场。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。
当焊接温度场消失后，构件内部产生应力，这种应力称为焊接残余应力。
（一）焊接残余应力对钢结构的影响1.对钢结构刚度的影响焊接残余应力使构件的有效截面减小，丧失进一步承受外载的能力。
焊接残余应力的存在还会增大结构的变形，降低结构的刚度。
2.对静力强度的影响由于焊接应力的自相平衡，使受压区和受拉区的面积相等。
构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等，因此不影响静力强度。
3.对疲劳强度的影响残余应力的存在使应力循环发生偏移。
这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。
当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。
4.对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。
焊接残余应力的危害及处理方法
三／ 。 ／ 一
２ 一
● 一
。 一
０
图 １施 焊 时焊 缝及 附近 的 温度 场 和 焊 接 残余 应 力
收 稿 日期 ：０ ０ — ７ ２ １－ ６ ０ １
作者简介 ： 蒋莉莎（９ ３ ）女 ， １８ 一 ， 安徽滁 州人 ， 滁州市水利设计 院助理工程师。 ・ ６４・
蒋莉 莎
（ 安徽省滁州市水利勘测设计 院，安徽 滁州 ２ ９０ ） ３０ ０
摘
要：焊接 残余应 力是焊件产生变形 和开 裂等缺 陷的主要原 因， 本文主要介绍建筑钢结构 中焊接 残
余应 力的产生原 因及其危 害。并 简要 介绍处理 焊接 残余应 力的方法，希望 能够对今后提 高产品的 内部质 量、 高构件 的寿命及减少安全 隐患方面提供一些有效对策。 提
两块板 的中间产生横 向拉应力 ．而两端则产 生压应
（ ） 结 构 刚度 的 影 响 三 对
横 向焊 接 应 力 的 方 向与 焊 缝 长 度 垂 直 ， 生 横 向 产
焊接应 力的原因可分为 ２ 个方面 。： 一是 由于焊缝纵
向收 缩 ， 两 块 钢 板 趋 向 于形 成 反 方 向 的 弯 曲变 形 ． 使 但 实 际 上 焊 缝 将 两 块 钢 板 连 成 整 体 ． 能 分 开 ． 是 不 于
（ ） 向焊 接 应 力 一 纵
纵 向焊 接应 力就 是 平 行 于焊 缝 长 度 方 向的应 力 。 在 施 焊 时 ， 板 中会 产 生 不 均 匀 的温 度 场 ， 而 产 生 钢 从 不 均 匀 的膨 胀 （ １。温 度 高 的钢 材 膨 胀 大 ， 受 到 图 ） 但 两 侧 温 度 较 小 、 胀 量较 小 的钢 材 所 限 制 。 生 了热 膨 产
激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析讲解
为简化计算,取其剖面进行分析计算,从而将激光焊接数学模型简化为二维模型:ρ(T c (T t =x (k (T x
+
y (k (T y
+Q
初始条件:
T (x, y, 0T 0(3
T 0为环境温度,
边界条件:
k n n
+ q +a (T -T 0 +σζ(T 4-T 40 =0
(4
式中k x、k y为x、y方向的热流传导系数(各向同性材料k x =k y ; Q为内热源; c为材料的比热容; ρ为材料的密度; q为流经边界的比热流密度; ζ为体表面的发射率; a为表面换热系数; σ为Boltz mann常
,广泛应用于航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗及核工业等要求高精度和高质量的焊接领域。
激光焊接过程是一个快速不均匀的热传导过程,焊缝附近会出现很大的温度梯度,因此焊后的结构中将有不同程度的残余应力和变形产生,这将直接影响焊接结构质量和使用性能,因此准确地认识焊接热过程,对焊接结构力学分析以及最终的焊
数,其值为5167×10-4W /c m 3・K 4
。
2有限元分析
211有限元模型的建立和网格划分
激光焊接的能量密度非常高,有效加热区域非常小,因而在网格划分时,要求在焊缝附近采用很小的网格尺寸,而在远离焊缝的区域可以选择较大的网格尺寸。在ANSYS软件中,为了便于单元的重生、进行重启动分析和重新加载的操作,采用了映射网格划分技术,单元形状为四边形,单元类型为Quad 13,如图1所示。
第28卷第4期长春理工大学学报
Vo l 128No 142005年12月
Journal of Changchun University of Science and Technol ogy
超声冲击在耐候钢焊接后处理的运用研究
超声冲击在耐候钢焊接后处理的运用研究摘要：传统车辆底架焊接构件通常采用耐候钢材，焊接后需进行消除残余应力处理，目前使用的处理设备如退火炉、抛丸机存在占地大、污染重等缺点，对基建及安保要求较高，且不具备局部处理能力。
超声冲击应力消除设备具有占地小、无污染、使用灵活等优点，在局部消应力方面具有传统设备无法比拟的优势，本文通过工艺试验研究其在焊接残余应力消除方面的具体效果，为生产实际运用提供依据。
关键词：焊接后处理；超声冲击；残余应力；中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：0 前言焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷，是由于焊接过程中的受热不均匀导致的应力场的重新分布，残余应力较集中的部位为靠近焊缝附近位置及热影响区。
其危害甚大，对焊接结构件抗疲劳、脆断、应力腐蚀破坏以及尺寸稳定性有很大的影响。
因此采用适当的方法最大限度地降低或消除焊接残余应力，使其降低到安全的范围类, 是工程界面临的一个重大问题。
工厂常常采用热处理退火，抛丸等办法来降低和消除焊接残余应力，但热处理炉占地大，退火能耗消耗高，失效周期较长，有烟气粉尘废渣排放；抛丸亦有设备费用高，生产成本高，工作时间长，抛丸回收和喷丸伤人等缺点。
因此引入超声冲击设备，其具有占地小，不受工作材质、形状、结构、重量的限制，使用起来灵活方便等特点。
超声设备主要利用大功率的能量推动冲击头以每秒2万次以上的频率冲击金属物体表面，高频、高效和聚焦下的大能量使金属表面产生较大的压缩塑性变形，同时超声冲击改变了原有的应力场，产生有益的压应力。
高能量冲击下金属表面温度急速升高又迅速冷却，使作用区表层金属组织发生变化，冲击部位得到强化。
超声冲击降低或消除残余应力在生产实际中有重要价值。
因此我们对其在焊接残余应力消除中的具体效果进行了探究。
1 实验实验采用目前动车组车辆底架常用的8毫米厚sma490bw型钢板，各元素含量（wt%）：c≤0.18、si 0.15-0.65、mn≤1.40、s≤0.035、p≤0.035、cu 0.30-0.50、cr 0.45-0.75、ni 0.05-0.30，属于低碳低合金钢，焊接方法为80%ar+20%co2气体保护焊，焊丝为符合gb/t8810—1995标准要求的chw-55cnh型、牌号h08mn2sia，接头形式为v型对接，焊接参数底层（190-210）a、（23-25）v，其余（240-280）a、（25-30）v。
锤击法消除焊接残余应力的研究（已处理）
锤击法消除焊接残余应力的研究山东大学硕士学位论文锤击法消除焊接残余应力的研究姓名:李强申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:曲仕尧2001.11.8山东大学硕士学位论文锤击法消除焊接残余应力的研究摘要本文采用小孔法测试锤击前后焊接残余应力的变化,研究了锤击处理参数对残余应力的影响,用扫描电镜和显微硬度仪对锤击处理前后焊缝的组织形貌和硬度变化进行了检测分析,并探讨了锤击法消除焊接残余应力的机理。
/取得了以下主要成果。
~焊缝经过锤击处理后,熔合区附近的残余应力降低幅值最大。
母材上距熔合区越远的部位,应力降低幅值越小。
冲击能量对焊接残余应力的消除效果有很大影响。
随着冲击能量的增大,熔合线附近残余应力降低幅度增大;当冲击能量达一定值时,残余应力变化速度减缓。
单次冲击能量对残余应力的影响比锤击时间大,锤击处理时采用大冲击功、短冲击时间时消除应力效果较好。
高温锤击时,焊缝的塑性较好,变形阻力小,残余应力的消除效果比室温锤击时好。
锤头端面尺寸较小时,锤头吸收的能量较小,焊缝的变形程度较大,对消除残余应力有利卜/焊缝经过锤击处理后,表层金属发生塑性变形,硬度升高。
焊缝金属受到冲击载荷作用后,产生径向延伸,抵消了焊缝的残余弹性变形,从而降低了残余应力。
关键词:焊接锤击处理残余应力小孔法山东大学硕士学位论文,,......, . . ,....山东大学硕士学位论文., . ,. ’,, .,.,:..山东大学硕士学位论文.绪论在机械制造过程中,很多工序都会在材料内部形成残余应力。
总的来说,残余应力可分为两类,一类是由于在整体结构中,各部件尺寸/:协调而强行装生的残余应力;另一类是由于材料内部产生各区域之间自平衡的残余应力。
在焊接结构中,后一类残余应力的产生尤为普遍【】。
这是由于焊接接头处的不均匀加热和冷却,不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限,使局部区域产生塑性变形,当温度恢复到原始的均匀状态后,就产生残余应力。
焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响分析
焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响分析焊件施焊后，结构受加热影响会出现局部塑性变形情况，温度降低后，焊件内部会残余部分应力，直接弱化工件机械强度，继而引发裂纹等不良现象。
作为技术人员试验后，应明确掌握焊接残余应力的影响因素与热处理技术，实现残余应力峰值的有效控制，确保焊接质量。
标签：焊接；热处理技术；残余应力受焊接原材料、热源等因素影响，焊接后会残余部分应力，直接降低焊接结构的静力、疲劳强度与刚度，缩短工件使用寿命。
热处理技术可有效消除焊接残余应力，但前提是合理模拟温度与应力场数值，确保焊接残余应力有效消除且处于平稳状态。
一、焊接残余应力主要影响因素1焊接原材料焊接残余应力直接受原材料熔化温度影响，两者存在正相关。
除此之外，残余应力还受弹性模量、屈服强度与膨胀系数等因素影响。
不同的原材料种类，弹性模量、屈服强度等反应不同，残余应力大小也不同。
尤其是膨胀系数，当去处于高温环境中时，温度会持续增加，呈线性增加状态[1]。
2焊接参数通常情况下，要求焊接电流不变，需要提高焊接效率，与此同时，此时焊接温度场将延长，焊接梯度、残余应力随之增加。
要求焊接速度不变，需要提升焊接电流强度，与此同时，焊接温度场长宽拓展，焊接梯度、残余应力随之增加。
3焊接热源焊接属于不均匀的局部加热过程，热源中心温度持续升高，焊缝施焊后，焊件不同点温度发生变化，温度场随之改变。
与此同时，焊件温度梯度、残余应力也受到影响。
4焊接比容焊件加热、冷却后，会出现相变作用，继而引起比容与性能等发生变化。
当钢材温度超过700℃时，会实现奥氏体、铁素体的转变，残余应力可不计，随着温度降低，碳元素数量与合金数量等不断增加，钢结构逐渐产生相变，在体积快速膨胀作用下，会形成残余应力[2]。
二、焊接残余应力对构件的危害1焊件静力强度下降焊件结构在承载力影响下，会产生一定的塑性变形能力。
屈服强度区域应力随者荷载力的增加而加大，不在屈服强度的区域应力也随之改变，此时，静力强度不受焊接残余应力影响。
浅析在役焊接接头残余应力分布的影响因素
浅析在役焊接接头残余应力分布的影响因素摘要：为了调控焊接残余应力，保证在役焊接修复后管线的正常运行，针对现场焊接时可调节的焊接工艺，以及不同在役条件研究在役焊接接头残余应力的变化情况。
本文探讨了在役焊接时管内气体介质流速、压力和焊接线能量对管道内表面轴向、环向残余应力的影响，关键词：焊接、残余应力、近缝区、焊接接头一、焊接线能量的影响焊接线能量的不同会对焊接区经受的热循环和相变造成影响，从而会影响焊接应力的分布。
在管道结构(外径508mm,壁厚8mm)、气体介质压力(4MPa)、流速(1.Sm/s)不变的情况下，分别计算了四组焊接工艺参数下(见下表)管道内表面的轴向和环向残余应力，并进行比较，探讨了焊接线能量对在役焊接残余应力的影响。
表1：焊接工艺参数管道内壁轴向残余应力随焊接线能量的变化规律如图1 (a)所示。
可见，焊接线能量对近缝区(< l0mm)残余应力影响比较大，轴向应力基本是随焊接线能量的增大而增大。
在焊接线能量较小时，残余应力增加比较显著，而焊接线能量增大到10.8kJ/cm(即焊接工艺参数B)之后，残余应力增加速度趋于缓慢。
图1(b)为环向应力随焊接线能量变化情况，与轴向应力相同，线能量对近缝区(< l 0mm)环向应力影响较大，在远离焊接中心的地方，线能量对残余应力的分布基本没有影响。
（a)轴向应力（b)环向应力图1：热输入量对在役焊接残余应力的影响分析认为，焊接线能量增大能够提高近缝区热循环的峰值温度和高温停留时间，从而增加了接头金属高温膨胀时产生的朔性压缩变形区间，母材中的朔性压缩应变是导致焊后残余应力的主要原因。
在凝固过程中，己膨胀的金属受到的朔性压缩是焊缝金属收缩的主要部分，其收缩量与压缩变形程度成正比，从而使得焊后在近缝区产生较大的残余应力。
同时随着焊接线能量的增加，焊后接头的冷却能力降低，会增加相变对焊接残余应力的缓释作用，同时降低热收缩变形，从而减小残余应力的产生。
激光快速成形金属零件的残余应力讲解
激光快速成形金属零件的残余应力【摘要】：激光快速成形技术是近几年国际上广泛关注的一种先进的实体自由成形技术，能够直接成形高性能的致密金属零件，具有无模具、短周期、低成本、市场响应快等特点。
本文简要分析了激光快速成形件残余应力的形成机理及分布规律，概述了残余应力对成形件力学性能、结构尺寸、实际使用等方面的影响，探讨了实验测定残余应力的方法及调整和消除残余应力的有效手段等。
引言激光快速成形技术是一种基于激光熔覆的迭层制造技术，它将【摘要】：激光快速成形技术是近几年国际上广泛关注的一种先进的实体自由成形技术，能够直接成形高性能的致密金属零件，具有无模具、短周期、低成本、市场响应快等特点。
本文简要分析了激光快速成形件残余应力的形成机理及分布规律，概述了残余应力对成形件力学性能、结构尺寸、实际使用等方面的影响，探讨了实验测定残余应力的方法及调整和消除残余应力的有效手段等。
引言激光快速成形技术是一种基于激光熔覆的迭层制造技术，它将快速原型技术（RP自由成形的优点与激光熔覆技术相结合，能够实现高性能复杂结构、致密金属零件的直接成形，具有高柔性、短周期、低成本、市场响应快等特点，是一种将材料技术与制造技术有机融为一体的“新材料设计、新材料制备与近净成形高性能复杂零件快速成形一体化”新技术。
激光快速成形以高能激光束作为移动热源，一方面，激光快速加热冷却为材料加工提供了常规手段无法实现的极端非平衡条件，使成形件具有细小、致密的组织和优异的综合性能；但另一方面，局部热输入造成的不均匀温度场必然引起局部热效应，表现在熔池在凝固及随后冷却过程不一致，从而在成形件中形成残余应力和变形。
残余应力作为一种内应力，不仅对成形件的静载强度、疲劳强度和抗应力腐蚀性能等有不利影响，而且也影响结构尺寸稳定性和成形精度，严重时会直接引发裂纹缺陷。
成形件一旦出现裂纹，成形过程将被迫终止，同时已成形的金属零件只能报废处理，这将大大增加制造成本。
超声波冲击消除焊接残余应力工艺规程(修改)
冲击频率：选用20kHZ。在冲击头重量、冲击幅度一定时，频率决定冲击能量。
输出振幅：冲击头冲击振幅选定40μm。振幅也影响其冲击能量及塑性变形层深和时效层深。
冲击方向：冲击过程中，冲击头与焊缝表面垂直并做一定角度的摆动，且应沿焊缝来回移动。如图5。
处理速度：对板厚（δ=28～50mm）的角焊缝，冲击头移动速度一般在150mm/min左右。
1编制说明
本工艺规程根据招标文件、设计图纸及《设计技术交底》，并结合相关桥梁制作经验进行编制。
2超声波冲击调整焊接残余应力的目的
超声波冲击调整焊接残余应力的目的：降低焊接残余应力峰值，改善焊接部分的受力性能，提高焊接接头的疲劳性能，延长桥梁的使用寿命。
3超声波冲击时机
超声波冲击应在焊缝变形矫正、外观检验及无损检验合格后，且在焊缝外形修磨、检验合格后进行。
8.2应力测试方法：应力测点均在焊趾处，探头所选用尺寸为14×14mm2,所测应力为层深（δ）1.96mm处的平均应力。超声波冲击前后均对同一测点进行应力测试。应力测试灵敏系数选用K≥0.012mA/Mpa。
8.3测点布置：应力测量点布置在焊缝的焊趾处。
8.3.1钢槽梁部分，每一制造轮次中选取一个梁段，分别对腹板与底板及顶板各一条角焊缝进行冲击前后的应力测量；测点间距不得大于3000㎜。梁段长度L≤6000㎜时，测3点；梁段长度6000＜L≤9000㎜时，测4点；梁段长度9000＜L≤12000㎜时，测5点。以上测量点不含母材测量点，所选梁段母材测量1点，选在所选焊缝底板上的适当位置，且距腹板与底板角焊缝焊趾60～80mm。
4结构特点与超声波冲击调整焊接残余应力要求
4.1钢槽梁部分
钢槽梁断面为开口单箱单室断面，为全焊结构，腹板与顶、底板焊缝为厚板熔透角焊缝，焊接约束度大，焊后有较大焊接残余应力，为改善此部位受力性能，需要采用超声波冲击方法调整焊接残余应力。如图1中数字序号为需要调整焊接残余应力的焊缝。
不同拘束状态对Q345钢多层多道焊残余应力影响
不同拘束状态对Q345钢多层多道焊残余应力影响王宇;杜敏;何祖娟;叶晓凤;吕发【摘要】基于有限元软件SYSWELD,对Q345钢多层多道对接接头进行了温度场、相变、应力场多物理场耦合计算,得到了三种不同拘束状态下的残余应力分布规律.通过采用非线性混合硬化模型模拟加工硬化,对Q345钢多层多道对接接头残余应力场进行了仿真计算、仿真结果对比和X射线测试,吻合度较好,焊缝区和热影响区纵向残余应力均为拉应力,其中最大残余拉应力出现在焊缝区,随着离焊缝中心距离增加,纵向残余拉应力逐渐减小;同时焊缝区残余应力峰值随着拘束度的增加而增加,但是增加幅度有限.【期刊名称】《中国重型装备》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】4页(P27-30)【关键词】有限元;残余应力;多层多道焊;固态相比【作者】王宇;杜敏;何祖娟;叶晓凤;吕发【作者单位】中国核动力研究设计院,四川6102132;二重(德阳)重型装备有限公司,四川618013;中国核动力研究设计院,四川6102132;中国核动力研究设计院,四川6102132;中国核动力研究设计院,四川6102132【正文语种】中文【中图分类】TG407Q345钢因具备良好的力学性能、焊接性、耐候性，被广泛应用于高速列车转向架的生产，而焊接是Q345钢的主要连接形式。
众所周知，焊接过程中会不可避免地产生接近屈服强度的残余应力值，若残余应力控制不好，则可能导致结构的脆性断裂，降低结构的疲劳强度和腐蚀抗力，削弱结构的稳定性；同时残余应力也是焊接结构产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因[1]。
由于焊接过程中涉及到复杂的热物理现象，包括温度、组织转变、应力应变及它们之间的交互作用，残余应力研究和测试中存在很多不确定因素[2]。
Q345钢在焊接过程中会发生奥氏体转变为马氏体和贝氏体的固态相变，从而引起体积变化和相变塑性[2]，且由于转向架构件通常采用多层多道焊的连接方式，焊缝区附近的材料会经历多次焊接热循环，焊接残余应力形成和分布状况十分复杂，因此，对Q345钢多层多道焊接接头残余应力进行准确预测具有较大的工程实用价值。
超声冲击对焊接残余应力影响的研究进展
超声冲击对焊接残余应力影响的研究进展发布时间：2022-07-20T05:12:24.354Z 来源：《城镇建设》2022年第5卷3月5期作者：赵毅[导读] 残余应力正在很大程度上能够对焊接结构的力学性能造成影响。
赵毅重庆市市政设施运行保障中心重庆市 400015摘要：残余应力正在很大程度上能够对焊接结构的力学性能造成影响。
文章对超声波的冲击处理以及焊接接头的残余应力影响因素进行调研分析，得出超声冲击使得残余拉伸应力得到有效缓解，并且在焊缝附近形成残余压应力影响，从而提高焊接接头的疲劳、耐磨性能的结论。
关键词：超声冲击；焊接接头；残余应力；研究进展对焊件局部加热然后逐渐冷却的过程称之为焊接，由于焊件各部分的受热不均情况，会出现焊接残余应力［1］，对焊接构件的疲劳性能、腐蚀性能、开裂性能等造成影响。
大多数压力容器破坏的案例都是由于焊缝及其附近区域的残余拉伸应力所造成的［2］。
因此针对焊后消除和调整焊接残余应力的方法进行研究，对提高焊接结构的安全可靠性具有重大发展意义。
1超声冲击的概述超声冲击是在国外的主流焊后处理、表面强化和消除焊接残余应力的有效方法［3］。
超声波可以使得冲击针对金属表面进行高速撞击，从而使得金属表层产生较大的塑性变形。
一是能改变焊趾的几何形貌；二是在金属表面，使其产生一定厚度的压缩塑性变形，使得区域内的残余拉应力转化为残余压应力。
残余应力的重新分布由于压缩塑性变形层的存在，使拉伸残余应力下降，从而对焊接接头残余应力进行改善［4］。
超声冲击设备具有灵活、不受复杂结构限制，能够适应各种施工情况的特点，近年来得到广泛关注［5］。
超声冲击技术处理能够适用于各类材料的焊后处理，还适用于不同接头形式的焊后处理［6］。
2超声冲击对改善焊趾几何形状降低应力集中系数的影响零件焊接后产生的余高会引起焊接接头截面形状的突变，此现象在焊缝与母材过渡的焊趾部位表现得尤为突出，从而导致区域内的应力集中系数较大。