锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟.pdf
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1、中国机械工程990 432中国机械工程 CH I NA M ECH A NI CA L ENG I NEERI NG 1999年 第10 卷 第4期 No . 4 Vo l . 10 1999锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟*邹增大王新洪曲仕尧摘要建立锤击作用的有限元数学模型,利用该模型对白口铸铁焊补时锤击消除焊接残余应力进行实例分析。结果表明,在合适的焊接规范和工艺下,锤击不仅能有效地消除白口铸铁焊缝部位的应力,而且能促进热影响区拉伸残余应力的释放,甚至可以获得一定值的压应力。当在8 40 36 0 温度区间进行锤击时,可以获得最佳效果。 关键词锤击有限元模型残余应力白口铸铁数值模拟 中国
2、图书资料分类法分类号T G 457 12锤击处理很早被引入焊接领域,初期主要应用于消除焊接变形。通过观察分析,认为适当锤击可以消除和减少焊接裂纹,进而推断锤击有消除焊接残余应力的作用, 因此在工艺中采用锤击处理,防止焊接裂纹的产生1。一般认为, 锤击处理消除焊接残余应力是使被处理金属通过锤击, 在体内局部产生一定的塑性伸长, 释放焊接过程产生的残余拉伸弹性应变, 从而达到释放焊接残余应力的目的。但由于锤击(特别是手工锤击)的不规范(锤击力的大小、频率、基体的力学性能及锤击区的温度等)及焊接残余应力准确测试的困难,故对于锤击处理与残余应力的关系, 至今尚没有一个科学的和系统的研究2 。 笔者通过
3、建立锤击处理的有限元数学模型,模拟分析锤击工艺与消除残余应力的关系。1锤击作用的有限元数学模型根据数值分析在焊接中应用的基本理论3,有外力作用时的有限元增量表达式为 Ke due= dRe+ dFe( 1) 式中,Ke为单元刚度矩阵; due为单元位移; dRe为由温差引起的等效节点载荷; dFe为由外力引起的等效节点载荷, 在此指由锤击作用产生的载荷。 1. 1锤击作用力的简化 单锤重击的波形4见图1a ,将其简化为正弦波见图1b ,并表达锤击力 f i l e : / / / E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 990 4/ 990 4
4、32 . h t m (第 18 页)2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据中国机械工程990 432( 2 ) 式中, 为载荷持续时间;P为锤击力峰值。 假设1锤击力不是通过某个点传递到焊件, 而是通过一定的作用面积均布在锤击作用区,锤击强度 p = P( t ) / A ( 3) 式中,p为作用在锤击区的锤击强度;P(t) 为瞬时锤击力;A为锤击的作用面积。 假设2 锤击作用于焊件是以焊缝中心为对称轴, 呈轴对称分布。( a ) 单锤重击波形( b ) 简化波形 图1锤击力波形示意图1. 2 锤击作用的有限元模型 图2 内边界三角单元示意图f i l e : / / /
5、 E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 990 4/ 990 432 . h t m (第 2 8 页)2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据中国机械工程990 432为便于分析, 用简单的三角单元来描述模型。对于锤击作用下的边界单元, 规定单元只有一条边j m 落在界面上,见图2 。 ( 4) 式中,分别为j m 、j n 、n m 的长度;为三角单元的面积;j、m为与j、m节点对应的三角形面积;(r,z) 为节点坐标 ;Nj 、 Nm 为形函数。 令=,当点n(r,z) 落在边上时有 Ni(r , z) = 0 Nj(
6、r , z) = 1- Nm(r , z) = ( 5) 式中, 0 1, 当= 0 , 对应j 点, 当= 1, 对应m 点。d s = sid , 而, 并认为( 为节点j 、m 径向坐标的平均值) 。 为常数阵, 由压力引起的载荷 ( 6 ) 图3边界表面力作用示意图f i l e : / / / E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 990 4/ 990 432 . h t m (第 38 页)2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据中国机械工程990 432通常认为表面力是垂直作用于边界上的,见图3。 ( 7 )
7、将式( 7 ) 代入式( 6 ) 可得有限元计算公式 ( 8 )2 计算实例实际的焊补试件( 见图4) , 母材为白口铸铁, 填充材料采用专用焊条BT 1一次焊满。同时假定焊接热过程的所有输入热量在一定时间内全部均匀地加在补焊焊缝上,即作内热源处理。试件的上下表面及周界,作为散热边界条件处理。焊接规范为焊接电流I= 18 0 A , 电压U = 2 9 V, 焊接时间t = 30 s 。以焊缝中心轴为对称轴,取试件四分之一进行分析。采用三角单元对构件进行离散,单元总数为540 , 节点总数为30 4。边界条件为底面及对称轴为简支支撑, 其它面为自由边界。 图4试件形状及尺寸示意图本实例所用的基
8、本参数见文献5。 图5是在锤击力为50 0 . 0 N, 锤击点的温度区间为8 40 36 0 , 锤击频率为2 次/ s 时残余应力计算值与采用盲孔法测的残余应力值进行的比较。可以看出, 计算结果与测试结果基本吻合。但由于锤击模型的假设为“均布”作用(锤头为平头)与实际的锤头为具有一定弧度的圆锥头之间有一定的差异,以及热源简化为内热源处理等原因,因此使计算有一定的误差;此外采用残余应力的测试也存在一定的误差:可以说明锤击模型与实际情况基本相符。f i l e : / / / E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 990 4/ 990 432
9、 . h t m (第 48 页)2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据中国机械工程990 432( a ) 径向残余应力( b ) 周向残余应力 图5残余应力计算值与实验值的比较图6 是在上述规范及工艺条件下, 焊补过程应力的变化情况。可以看出,锤击前焊缝及热影响区(曲线1、曲线2 )均已产生双向拉伸应力, 经过锤击处理后( 曲线3、曲线4) , 焊缝及热影响的拉应力显著降低。若不进行锤击,热影响区的残余应力值已大于母材的抗拉强度,但经过锤击后的残余应力分布,在焊缝处呈现出较大的压应力, 热影响区中靠近熔合区侧也表现为压应力, 而母材侧虽仍为拉应力, 但其值已相当小, 不
10、至于导致开裂。可以看出,不同温度下进行锤击对焊接接头的应力有很大的影响。在约8 40 36 0 之间进行锤击时,锤击作用的效果最佳,可以有效地降低残余应力;在高温和低温下进行锤击,热影响区及焊缝中都存在着较大的拉伸应力,不能有效地降低焊补残余应力;锤击温度区间的温度越高,效果越差。f i l e : / / / E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 990 4/ 990 432 . h t m (第 58 页)2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据中国机械工程990 432( a ) 径向残余应力( b ) 周向残余应力
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