超声冲击处理大厚度焊接残余应力分布(附件)【字数：11785】
摘 要摘 要焊接残余应力的存在会导致构件性能降低和使用寿命减少。超声冲击是一种有效消除焊接残余应力的方法。本课题以55mm厚的Q345钢的MAG焊缝为研究对象。分别采用无超声冲击、盖面前超声冲击和分层超声冲击三种方式制备三类焊接接头,采用小孔法测量三类接头上下表面残余应力的分布，通过使用轮廓法得到纵向和横向残余应力的二维映射，以得到试板内部应力分布。分别对比无超声冲击、盖面前超声冲击和分层超声冲击接头的全厚度应力分布，研究两种超声冲击方式对试样残余应力的影响；对比盖面前超声冲击和分层超声冲击两种超声冲击消除焊接残余应力的差异。研究表明，盖面前超声冲击对上表面横向残余应力的消除率约为33%，分层超声冲击消除残余应力效果不明显，两种超声冲击都能够减小拉应力梯度。关键词超声冲击；焊接残余应力；盲孔法；轮廓法Abstract
Contour method 目录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2残余应力 2
1.2.1 残余应力产生机理 2
1.2.3残余应力危害 2
1.3残余应力测试方法 3
1.3.1盲孔法 4
1.3.2轮廓法 5
1.4消除焊接残余应力的方法 5
1.4.1传统消除焊接应力的方法 5
1.4.2超声冲击消除残余应力 7
1.5研究思路 9
第二章 实验设备及方法 10
2.1试样材料和坡口形式 10
2.2焊接方法 11
2.3超声冲击 12
2.3残余应力测试 14
2.3.1盲孔法 14
2.3.2轮廓法 14
第三章 盲孔法测焊件残余应力 16
3.1实验过程 16
3.2实验结果 18
3.3结果分析 20
第四章 轮廓法测试样残余应力 22
4.1实验过程 22
4.2实验结果及处理 23
4.3结果分析 28
总结 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
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1.1 课题的研究背景及意义
焊接作为一种常用的连接方式，由于其接头强度高、设计灵活性大、密封性好、可实现异种材料连接、焊接结构的成品率较高、出现缺陷可以进行修复、节约能源和材料等优点，在化工、石油、建筑、船舶、航天航空等领域得到广泛应用[12]。随着现代生产技术和工程规模的高速发展，对焊接结构的使用性能特别是强度要求越来越高，材料厚度也呈增加趋势，大厚度高强度焊接构件在各行业的应用越来越广泛。
焊接过程是不均匀加热的过程，不均匀的温度场导致焊接热应力产生，在焊后冷却产生残余塑性变形和残余应力。而厚板焊接构件由于经过多次、多道焊接或大梯度温度，造成其内部残余应力分布复杂，变化剧烈。焊接残余应力的存在导致构件疲劳强度降低，结构应力腐蚀，构件使用寿命降低。因此，研究残余应力调控方法是非常有必要的。
超声冲击是近年来兴起的一种消除残余应力的方式。超声冲击是利用高频率的冲击头冲击工件表面，使工件表面发生塑性变形，改变焊接残余应力场，引入有益压应力。由于超声冲击设备操作简单，不受复杂结构限制，并可以适应各种复杂环境等优点，其应用越来越广泛，特别是在加工领域具有深远的发展潜力。
然而国内外对于超声冲击影响焊接构件的研究大多分析单一超声冲击方法，并且较少课题对于超声冲击影响构件内部残余应力进行研究。因此，有必要进行多种超声冲击对比研究，并分析超声冲击对于焊接构件整体残余应力分布的影响。
本课题采用盖面前超声冲击和分层超声冲击处理分别处理Q345钢焊接接头，然后采用小孔法和轮廓法测量残余应力，分别对比未进行超声冲击、盖面前超声冲击和分层超声冲击焊接接头的残余应力分布，研究不同超声冲击处理方式对残余应力的影响。本课题可以为厚板焊接结构的应力分布研究提供测试和分析方法，不同超声冲击方式的对比也将有助于超声冲击方法的改进，研究成果对提高厚板使用性能和服役寿命具有重要意义。
1.2 残余应力
1.2.1 残余应力产生机理
焊接过程中，焊件受到不均匀加热，这种不均匀的温度场将导致焊件各部分产生不均匀变形和应力，这种应力即焊接应力。焊接过程的每个瞬间都会有内应力的产生，当焊件完全冷却后，一部部分焊接应力会得到保留。所残留的焊接应力称之为焊接残余应力。
通常，将平行于焊缝方向的残余应力成为纵向残余应力，用σx表示，垂直于焊缝方向的残余应力成为横向残余应力应力，用σy表示，用σz表示厚度方向残余应力。
1.2.2 残余应力危害
焊接残余应力的存在，会造成以下许多的危害[3]：
（1）对结构刚度的影响：当构件内部存在残余应力时，构件承载载荷时，材料会发生局部塑性变形，塑性变形部分就无法再承受额外的载荷，大大减小了构件的有效承受载荷面积，焊接构件的刚度就被降低；
（2）对结果承载能力的影响：当构件中存在残余应力时，构件受到外在的压应力作用，这时构件承载的截面便不能再承受额外载荷，这减小了构件承受额外载荷的有效截面积，件构件的稳定承载力降低；
（3）对结构静载荷的影响：焊缝残余应力会在脆性材料结构件中不断增加，达到屈服极限后使结构件断裂；而对于塑性材料的构件，残余应力会阻碍塑性变形，从而大大降低其静载荷；
（4）对构件应力的影响：焊缝中的残余应力会与变荷载产生的应力相重合，总应力值将变大，将对结构抗疲劳强度产生影响。比如焊接构件中存在较大残余应力的部位，应力较为集中，疲劳强度则较低。应力集中系数的增大导致残余应力的影响逐渐增大；
（5）对于构件尺寸的影响：会影响构件尺寸的精度和构件的加工精度，由于残余应力存在使得结构件本身不再处于平衡状态，构件会发生形变，加工精度没有以前好；
（6）对于结构安全性的影响：焊接结构中残余应力的存在时，构件中的部分截面会较早的达到屈服极限。之后这部分截面发生塑性变形，降低了材料的整体塑性变形能力。塑性降低将导致部分截面脆性趋势加剧，这使得构件更容易出现脆性断裂。
Contour method 目录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2残余应力 2
1.2.1 残余应力产生机理 2
1.2.3残余应力危害 2
1.3残余应力测试方法 3
1.3.1盲孔法 4
1.3.2轮廓法 5
1.4消除焊接残余应力的方法 5
1.4.1传统消除焊接应力的方法 5
1.4.2超声冲击消除残余应力 7
1.5研究思路 9
第二章 实验设备及方法 10
2.1试样材料和坡口形式 10
2.2焊接方法 11
2.3超声冲击 12
2.3残余应力测试 14
2.3.1盲孔法 14
2.3.2轮廓法 14
第三章 盲孔法测焊件残余应力 16
3.1实验过程 16
3.2实验结果 18
3.3结果分析 20
第四章 轮廓法测试样残余应力 22
4.1实验过程 22
4.2实验结果及处理 23
4.3结果分析 28
总结 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
1.1 课题的研究背景及意义
焊接作为一种常用的连接方式，由于其接头强度高、设计灵活性大、密封性好、可实现异种材料连接、焊接结构的成品率较高、出现缺陷可以进行修复、节约能源和材料等优点，在化工、石油、建筑、船舶、航天航空等领域得到广泛应用[12]。随着现代生产技术和工程规模的高速发展，对焊接结构的使用性能特别是强度要求越来越高，材料厚度也呈增加趋势，大厚度高强度焊接构件在各行业的应用越来越广泛。
焊接过程是不均匀加热的过程，不均匀的温度场导致焊接热应力产生，在焊后冷却产生残余塑性变形和残余应力。而厚板焊接构件由于经过多次、多道焊接或大梯度温度，造成其内部残余应力分布复杂，变化剧烈。焊接残余应力的存在导致构件疲劳强度降低，结构应力腐蚀，构件使用寿命降低。因此，研究残余应力调控方法是非常有必要的。
超声冲击是近年来兴起的一种消除残余应力的方式。超声冲击是利用高频率的冲击头冲击工件表面，使工件表面发生塑性变形，改变焊接残余应力场，引入有益压应力。由于超声冲击设备操作简单，不受复杂结构限制，并可以适应各种复杂环境等优点，其应用越来越广泛，特别是在加工领域具有深远的发展潜力。
然而国内外对于超声冲击影响焊接构件的研究大多分析单一超声冲击方法，并且较少课题对于超声冲击影响构件内部残余应力进行研究。因此，有必要进行多种超声冲击对比研究，并分析超声冲击对于焊接构件整体残余应力分布的影响。
本课题采用盖面前超声冲击和分层超声冲击处理分别处理Q345钢焊接接头，然后采用小孔法和轮廓法测量残余应力，分别对比未进行超声冲击、盖面前超声冲击和分层超声冲击焊接接头的残余应力分布，研究不同超声冲击处理方式对残余应力的影响。本课题可以为厚板焊接结构的应力分布研究提供测试和分析方法，不同超声冲击方式的对比也将有助于超声冲击方法的改进，研究成果对提高厚板使用性能和服役寿命具有重要意义。
1.2 残余应力
1.2.1 残余应力产生机理
焊接过程中，焊件受到不均匀加热，这种不均匀的温度场将导致焊件各部分产生不均匀变形和应力，这种应力即焊接应力。焊接过程的每个瞬间都会有内应力的产生，当焊件完全冷却后，一部部分焊接应力会得到保留。所残留的焊接应力称之为焊接残余应力。
通常，将平行于焊缝方向的残余应力成为纵向残余应力，用σx表示，垂直于焊缝方向的残余应力成为横向残余应力应力，用σy表示，用σz表示厚度方向残余应力。
1.2.2 残余应力危害
焊接残余应力的存在，会造成以下许多的危害[3]：
（1）对结构刚度的影响：当构件内部存在残余应力时，构件承载载荷时，材料会发生局部塑性变形，塑性变形部分就无法再承受额外的载荷，大大减小了构件的有效承受载荷面积，焊接构件的刚度就被降低；
（2）对结果承载能力的影响：当构件中存在残余应力时，构件受到外在的压应力作用，这时构件承载的截面便不能再承受额外载荷，这减小了构件承受额外载荷的有效截面积，件构件的稳定承载力降低；
（3）对结构静载荷的影响：焊缝残余应力会在脆性材料结构件中不断增加，达到屈服极限后使结构件断裂；而对于塑性材料的构件，残余应力会阻碍塑性变形，从而大大降低其静载荷；
（4）对构件应力的影响：焊缝中的残余应力会与变荷载产生的应力相重合，总应力值将变大，将对结构抗疲劳强度产生影响。比如焊接构件中存在较大残余应力的部位，应力较为集中，疲劳强度则较低。应力集中系数的增大导致残余应力的影响逐渐增大；
（5）对于构件尺寸的影响：会影响构件尺寸的精度和构件的加工精度，由于残余应力存在使得结构件本身不再处于平衡状态，构件会发生形变，加工精度没有以前好；
（6）对于结构安全性的影响：焊接结构中残余应力的存在时，构件中的部分截面会较早的达到屈服极限。之后这部分截面发生塑性变形，降低了材料的整体塑性变形能力。塑性降低将导致部分截面脆性趋势加剧，这使得构件更容易出现脆性断裂。
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