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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
11、焊接时间：曲线1. t = 30 s 曲线2 . t = 41 s 曲线3. t = 53 s 曲线4. t = 冷却至室温时间 图6 焊补锤击时表面应力变化过程图7 是在相同锤击力和频率为2 次/ s , 不同锤击温度区间的残余应力图。( a ) 径向残余应力f i l e : / / / E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 990 4/ 990 432 . h t m （第 6 8 页）2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据中国机械工程990 432( b ) 周向残余应力 曲线1. 无锤击作用曲线2 . 6 0 0
12、 T 10 0 0 曲线3. 30 0 T 6 50 曲线4. 36 0 T 8 40 图7 不同锤击温度区间锤击时上表面残余应力的分布图8 是同一锤击温度区间( 8 40 36 0 ) 不同锤击力作用下进行锤击后, 上表面的径向应力、周向应力的变化情况。可以看出，随着锤击力的增加，焊缝表面的残余应力进一步下降, 中心处产生很大的压应力, 熔合线（r = 10 m m ）附近靠焊缝侧也产生的一定值的压应力。此外熔合线附近的应力随着锤击力的增加而降低的值不如焊缝处显著。 从以上分析可知，白口铸铁焊补时锤击是一种有效的消除应力方法, 在合适的规范和工艺下, 热影响区的残余拉伸应力可有很大降低, 甚
13、至可获得一定值的压应力。在合适的焊接规范和锤击力作用下, 8 40 36 0 温度区间锤击作用效果最佳, 可以有效地降低焊接应力。( a ) 径向残余应力f i l e : / / / E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 990 4/ 990 432 . h t m （第 7 8 页）2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据中国机械工程990 432( b ) 周向残余应力 锤击力：曲线1. P= 2 0 0 . 0 N曲线2 . P= 50 0 . 0 N曲线3. P= 7 0 0 . 0 N曲线4. P= 90 0 .
14、 0 N 图8 不同锤击力作用下上表面的残余应力分布*山东省自然科学基金资助项目( Y95F0 8 8 1) 作者简介：邹增大男，1941年生。山东工业大学（济南市2 50 0 6 1）校长、教授、博士生导师。中国机械工程学会焊接学会常务理事、山东省科协副主席、享受国务院政府特殊津贴。主要从事焊接冶金及金属焊接性、陶瓷与金属连接等方面的研究。曾获国家发明二等奖、国家发明三等奖。发表论文50 余篇。 王新洪曲仕尧济南市2 50 0 6 1山东工业大学 作者单位：邹增大山东工业大学（济南市2 50 0 6 1） 王新洪曲仕尧济南市2 50 0 6 1山东工业大学参考文献1拉达伊. D . 焊接热效
15、应. 熊第字译. 北京：机械工业出版社，1997 ：32 0 32 1 2 日增渊兴一. 焊接结构分析. 张伟昌译. 北京: 机械工业出版社, 198 5：2 0 52 46 3陈楚. 数值分析在焊接中的应用. 上海：上海交通大学出版社, 198 5：2 58 2 8 6 4王运赣. 系统动力学. 武汉: 华中理工大学出版社, 1991：97 5王久彬. 铸物，1994( 3) ：2 52 8( 编辑王汉熙)收稿日期：1998 0 42 4修回日期：19990 32 7f i l e : / / / E| / q k / z g j x g c / z g j x 99/ z g j x 99
16、0 4/ 990 432 . h t m （第 8 8 页）2 0 10 -3-2 3 15: 2 3: 46万方数据锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟作者：邹增大， 王新洪， 曲仕尧作者单位：济南市,250061,山东工业大学刊名：中国机械工程英文刊名：CHINA MECHANICAL ENGINEERING年，卷(期)：1999,10(4)被引用次数：15次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.拉达伊.D;熊第字 焊接热效应 19972.增渊兴一;张伟昌 焊接结构分析 19853.陈楚 数值分析在焊接中的应用 19854.王运赣 系统动力学 19915.王
17、久彬 查看详情 1994(03) 本文读者也读过(8条)本文读者也读过(8条)1. 李庆本.夏安民.韩殿文.张刚强 振动法消除应力技术会议论文-19992. 刘凯欣.张晋香.刘颖.李晓杰.张凯 爆炸法消除焊接接头残余应力的数值模拟期刊论文-应用力学学报2004,21(2)3. 樊睿智.刘俊龑.陆皓.张茂龙.钱旭辉.胡永强.Fan Ruizhi.Liu Junyan.Lu Hao.Zhang Maolong.Qian Xuhui.Hu Yongqiang 异种钢管子对接焊热处理前后残余应力的数值模拟期刊论文-焊接2007(5)4. 刘凯欣.张晋香.刘颖.李晓杰.张凯 爆炸法消除焊接接头残余应力的
18、数值模拟会议论文-20025. 汪永胜.顾国荣.党保卫.Wang Yongsheng.Gu Guorong.Dang Baowei 广州珠江新城西塔钢结构残余应力消除方法期刊论文-施工技术2010,39(11)6. 刘兴龙 锤击消除焊接应力的数值模拟学位论文20057. 姬书得.张利国.方洪渊.刘雪松.JI Shu-de.ZHANG Li-guo.FANG Hong-yuan.LIU Xue-song 局部锤击法对水轮机转轮焊接残余应力场的影响期刊论文-焊接学报2007,28(1)8. 王勤.朱援祥.王莉莉 焊接接头残余应力的计算机模拟期刊论文-机械2004,31(10) 引证文献(14条)引
19、证文献(14条)1.ZHU Yuan-xiang.ZHAO Xue-rong.ZHANG Xiao-fei.HU Lun-ji Numerical Simulation of Multi-repaired Weld Residual Stress期刊论文-武汉理工大学学报（材料科学版）英 2004(4)2.朱援祥.张小飞.杨兵.李晓梅 基于有限元的多次补焊焊接残余应力的数值模拟期刊论文-焊接学报 2002(1)3.崔彩云.赵建国.马跃进 双电磁机构锤击系统的高频调控及试验期刊论文-农业工程学报 2012(10)4.李勇.邱长军 微锻造作用下激光熔覆层应力变化数值模拟期刊论文-热加工工艺 201
20、2(2)5.陶军.李菊.娅书得.杜欲晓 静态低应力无变形焊接技术的数值模拟与优化期刊论文-航空科学技术 2008(6)6.张勇.綦秀玲 随焊冲击旋转挤压控制LD1O薄板件焊接变形和热裂纹的研究期刊论文-中国机械工程 2013(13)7.刘兴龙.曲仕尧 冲击碰撞中接触问题的数值模拟研究期刊论文-山东机械 2005(1)8.张亦良.徐学东.肖述红 残余应力对氨水储槽泄漏影响的分析期刊论文-压力容器 2003(9)9.吴钢.张克危.卢进玉.邓键 含沙水流对水轮机过流部件焊缝的影响期刊论文-水电能源科学 2004(3)10.张平昌 消应力电磁锤研制学位论文硕士 200411.刘兴龙 锤击消除焊接应力的数值模拟学位论文硕士 200512.胡技军 电站锅炉T91钢焊接温度场和应力场的数值模拟学位论文硕士 200613.范成磊 随焊冲击碾压控制铝合金焊接应力变形及接头质量的研究学位论文博士 200414.张晋香 爆炸处理消除焊接残余应力研究学位论文博士 2005