【正文】 差值也緊隨變小。 (a) 75s (b) 523s (c) 5000s 冷卻過程中的溫度場分布 Temperature distribution of welding case with cooling在75s時加熱過程結(jié)束，焊件進(jìn)入冷卻階段，(a)所示?？梢钥吹胶讣臏囟炔粩嘞陆担附尤鄢亻_始變大。此階段內(nèi)整個板材都在進(jìn)行散熱，溫度由焊縫區(qū)向四周擴(kuò)散，溫度下降很快，等溫線的范圍不斷擴(kuò)大，但時間達(dá)到一定程度后，各點(diǎn)的溫度已經(jīng)逐漸趨于環(huán)境溫度，(b)所示，以后冷卻過程將不會有大的變化，最終冷卻到室溫，(c)所示。焊接過程中熱源沿著焊件移動，在焊件上某點(diǎn)的溫度由低到高，到達(dá)峰值后又開始降低，這個過程隨著時間的變化成為了焊接熱循環(huán)，用它來描述焊接過程中熱源對被焊金屬的熱作用。為了分析焊接過程中與焊接方向垂直截面處節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況，在垂直焊縫方向上板中間的平面上取3點(diǎn)，各點(diǎn)的位置分別為焊縫中心，與焊縫中心相距10 mm處，與焊縫中心相距24 mm處。 Welding thermal cycle curves，當(dāng)熱源接近時，焊縫中心節(jié)點(diǎn)的溫度快速地上升至峰值，當(dāng)熱源經(jīng)過后，溫度又下降，且溫度較熔化溫度略高，而距焊縫中心10 mm、24 mm節(jié)點(diǎn)的熱過程與焊縫中心節(jié)點(diǎn)的過程相似，但是其溫度峰值隨節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離焊縫中心而逐漸降低。可見，節(jié)點(diǎn)越接近熱源，所能達(dá)到的最高溫度越高，距焊縫中心遠(yuǎn)近不同的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的熱循環(huán)是類似的。焊接的過程受熱不平衡，而且降溫過程也是如此，通過溫度場的研究可說明，焊接進(jìn)行時候的焊縫連接還有周圍區(qū)域的溫度場嚴(yán)重分布不均，導(dǎo)致加熱時焊縫及其臨近區(qū)域的金屬受周圍的材料的塑性壓縮嚴(yán)重，冷卻后又不能完全恢復(fù)，產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力和變形，殘余拉應(yīng)力會增加應(yīng)力在裂紋尖端的集中，對焊接結(jié)構(gòu)在服役中產(chǎn)生威脅[22]。 a) 2mm b) 3mm c) 4mm d) 5mm 縱向應(yīng)力變化過程圖 History plot of longitudinal thermal stress。通過焊縫連接及接近焊縫區(qū)域，如果焊接的熱能源離得近，那么會第一時間出現(xiàn)遇熱膨脹而影響壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生，如果這個焊接的熱能源距離遠(yuǎn)，那么臨界的區(qū)域就會收到溫度的影響而縮小，這就是拉伸應(yīng)力的影響，同時根據(jù)熱能的減少會導(dǎo)致拉應(yīng)力的增大，最終使得整個屋內(nèi)的溫度恒定。如果焊接熱源在來之前，因?yàn)楹缚p與近縫區(qū)域依照物理應(yīng)力平衡的原理，那么在比較遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)拉伸應(yīng)力作用；而當(dāng)熱能源遠(yuǎn)離時，也一樣受到臨界區(qū)域的拉伸物理應(yīng)力的影響，導(dǎo)致比較遠(yuǎn)的部位出現(xiàn)一定的壓縮應(yīng)力作用。這個壓縮應(yīng)力作用就會因?yàn)闀r間的推動而延長，如果這個溫度達(dá)到恒溫的情況下，就可以確定在一個穩(wěn)固的數(shù)值上 [23]。 a) 2mm b) 3mm c) 4mm d) 5mm 縱向應(yīng)力分布圖 Path plot of welding longitudinal residual stress。從圖片上可以得知縱方向的焊接殘余應(yīng)力應(yīng)該是在焊縫和近縫區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，這個應(yīng)力是很高的，不過在遠(yuǎn)離焊接的范圍以外，是有一定的焊縫和近縫區(qū)域的平衡力相作用。而一個焊件的縱方向彈性變化的流程，而焊部件發(fā)生變形的開始階段，當(dāng)這個焊接的熱源接近相應(yīng)的部位時，這個焊接和近縫區(qū)域位置都會引起相應(yīng)的壓迫作用，當(dāng)這個焊接源頭遠(yuǎn)離時，就會表現(xiàn)出對應(yīng)的拉伸彈性效應(yīng)；而當(dāng)這個熱源離開的時候，在焊縫區(qū)域內(nèi)形成的彈性變化的拉伸路徑，會根據(jù)焊縫比較遠(yuǎn)的一些部位及板塊之間產(chǎn)生一定的壓迫力導(dǎo)致壓縮彈性變形[24]。 a) 2mm b) 3mm c) 4mm d) 5mm 縱向彈性變形曲線圖 History plot longitudinal thermal elastic strain。在焊縫與近縫區(qū)內(nèi)是有一定的拉伸彈性變形的，不過在距離這個焊縫很遠(yuǎn)的范圍內(nèi)都具備一定的焊縫與近縫區(qū)內(nèi)的壓縮彈性變形的情況發(fā)生，可以看到不同的焊縫厚度對焊縫中心線上的應(yīng)力分布產(chǎn)生了一定的影響。 a) 2mm b) 3mm c) 4mm d) 5mm Path plot of welding longitudinal residual elastic strain。：在焊接的進(jìn)行中，因?yàn)榫植磕茉吹牧α恳鸬暮附泳植吭诟邷剡M(jìn)程中會產(chǎn)生隨著熱能變大，而高屈服強(qiáng)度逐漸減弱所引起壓縮的情況發(fā)生，即使處于溫度冷卻的條件下，對于焊接領(lǐng)域也會出現(xiàn)向板端方向出現(xiàn)拉伸的情況。不過最后焊接領(lǐng)域的板厚發(fā)展方向也會讓塑性變形量變正。對焊接部位比較遠(yuǎn)的范圍就不會存在變形的情況，只是內(nèi)應(yīng)力平衡的發(fā)展中受到一些影響[25]。 a) 2mm b) 3mm c) 4mm d) 5mm 板厚方向塑性變形曲線圖 History plot of deformation process thermal plastic strain a) 2mm b) 3mm c) 4mm d) 5mm 板厚方向塑性應(yīng)變分布圖 Path plot of welding residual plastic strain along thickness理論上，在焊接過程中，焊縫及近焊縫區(qū)在熱源到達(dá)時急劇升溫，并出現(xiàn)局部熔化，其升溫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)焊縫區(qū)及板邊緣，焊縫及近焊縫區(qū)受熱膨脹，在遠(yuǎn)焊縫區(qū)及板邊緣較冷區(qū)域的約束下形成彈性熱應(yīng)力。焊縫及近焊縫區(qū)材質(zhì)的屈服極限是會受到高溫影響而降低，而熱應(yīng)力也會因此材料的屈服使得一些部分會達(dá)到一定的極限，于是焊縫及近焊縫區(qū)形成了塑性的熱壓縮。熱源離開后，焊縫及近焊縫區(qū)由于冷卻而比遠(yuǎn)焊縫區(qū)及板邊緣相對變窄和縮短，造成焊縫及近焊縫區(qū)呈現(xiàn)拉應(yīng)力，遠(yuǎn)焊縫區(qū)及板邊緣呈現(xiàn)壓應(yīng)力。由圖211至圖217可見其應(yīng)力變化規(guī)律與理論上基本一致。以Q235焊接鋼板為研究對象，建立尺寸為300mm150mm10mm的板材模型，并上開出深度分別為2mm，3mm，4mm，5mm的四種不同深度的焊道，在材料性能、邊界條件、載荷工況等定義完后，獲得最后的結(jié)果，觀察分析軟件模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論：1）通過對工件的焊接溫度場進(jìn)行模仿，可以看到當(dāng)這個熱能達(dá)到臨界的時候，因?yàn)楹缚p局域的作用而按照應(yīng)力平衡的原理，在距離焊縫比較遠(yuǎn)的地方可能出現(xiàn)一定的拉伸效應(yīng)；而當(dāng)焊接的能源遠(yuǎn)離的時候，也一樣在臨界的部位出現(xiàn)一定的拉伸應(yīng)力的效應(yīng)，然而，在比較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)產(chǎn)生的是壓縮應(yīng)力效應(yīng)，由于壓縮應(yīng)力隨著時間的變化而一直增加。而當(dāng)熱能與室溫一樣的時候，那么要保證固定的數(shù)值。2) 通過對工件的焊接殘余應(yīng)力場及應(yīng)變場進(jìn)行模擬，可知焊接溫度場的不均勻分布導(dǎo)致焊縫及近縫區(qū)金屬在焊接過程中承受壓縮變形的作用產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形，冷卻后由于不能回復(fù)到原有狀態(tài)而受到拉應(yīng)力的作用形成殘余拉應(yīng)力，在離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域與之相對應(yīng)存在一個有拉應(yīng)力到壓應(yīng)力的變化過程；3) 通過對比焊后焊件在厚度方向的塑性變形變化，可以得出進(jìn)行焊接當(dāng)中因?yàn)閰^(qū)域局部范圍的作用會引起焊接位置在遇熱的同時，根據(jù)熱能的增加而引起壓縮情況的出現(xiàn)，從而使得厚度多的領(lǐng)域發(fā)生變形，變形的越多，而冷卻的時間里板端對焊接鄰近范圍產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸效應(yīng)，導(dǎo)致焊接臨界區(qū)域的板厚度產(chǎn)生塑性變形量是正的情況。4) 通過對比不同深度熔修層的焊件最終的應(yīng)力應(yīng)變場,可以看到堆焊層厚度為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm焊縫處的縱向拉應(yīng)力分別為191 MPa、305 MPa、423 MPa、628MPa。這說明焊接過程中熔修層的深度會影響焊接殘余應(yīng)力，而且是隨著熔修層的增大，焊接殘余應(yīng)力也增大。3 盲孔法測量殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)1934年，利用小孔釋放法檢測焊接殘余應(yīng)力的原理是德國的研究專家J. Mathar研制出來的。美國的材料研究小組在一九八一年第一次制定了關(guān)于ASTM標(biāo)準(zhǔn)E83781“利用鉆孔的原理來檢測殘余應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)原則”，這表示小孔釋放測量方法是可以運(yùn)用工業(yè)制造當(dāng)中的。現(xiàn)今，小孔釋放測量方法因?yàn)榫哂蟹椒?，簡易、檢測準(zhǔn)確，所以在焊接殘余應(yīng)力作用的時候得到了大量的使用 [2628]。依照鉆孔的原理，來確定是否能夠鉆通，這個小孔釋放法也可以說有盲孔法與通孔法這兩種。盲孔法的原理是在應(yīng)力場中鉆一個非通小孔，鉆孔處金屬中殘余應(yīng)力作用得到一定的釋放，也就是說原來的殘余應(yīng)力作用的平穩(wěn)性沒有了，這會引起鉆孔區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場需要全部調(diào)整，這樣才可以確定新的平衡出現(xiàn)。在進(jìn)行中，利用鉆孔區(qū)域內(nèi)的變化可以形成一定的量性變化，這個變化的大小是與釋放出來的對應(yīng)力有著正比關(guān)系的。若能測得孔附近的彈性應(yīng)變變化量，就可以借助于彈性力學(xué)原理來推算出盲孔處的殘余應(yīng)力[29]。這種方法對結(jié)構(gòu)只有很輕微的破壞，對于一般構(gòu)件，盲孔不需要修補(bǔ)，它對構(gòu)件的使用性能幾乎沒有影響。對于重要結(jié)構(gòu)，如壓力容器等，可在應(yīng)變測量后用電動手砂輪將其磨平?，F(xiàn)今，在通孔方法的檢測技術(shù)在應(yīng)用上日趨完善，另外對通孔的應(yīng)力作用也可以使用Kirsch依據(jù)來衡量，不過這個通孔一般是會只用在薄板生產(chǎn)當(dāng)中，不過在這過程當(dāng)中，需要多次檢測板厚的殘余應(yīng)力作用，所以這個通孔方法對一些零部件造成的損害是有一定的對應(yīng)性的，大部分在設(shè)計(jì)研究的進(jìn)程中是忽視不計(jì)的。當(dāng)然為了達(dá)到利用盲孔檢測方法更好的運(yùn)用，可以需要對盲孔測試法做更深入的了解。這幾年來，不少的國際研究專家對盲孔方法都有了深入的探討和分析，并得到了顯著的成績。盲孔方法在我國的發(fā)展是非常快速的，在一九九二年的時候就在船舶行業(yè)當(dāng)中作為一個準(zhǔn)則來使用。而國內(nèi)一些研究家也對盲孔方法做了很多方面的研究，這確保了盲孔方法的使用更加的完美，在使用性能上得到了提高。目前一些探究性得到的成績一般是以增強(qiáng)釋放系數(shù)的準(zhǔn)確性為主，由于盲孔方法在檢測余應(yīng)力的主要目的是為了得到更準(zhǔn)確精密的釋放系數(shù)值A(chǔ),B[3031]。像國外對盲孔方法檢測余應(yīng)力的研究是比較早的，對應(yīng)的資料很多。在其他國家，有很多對塑性物理應(yīng)變的探究與分析。而這個塑性應(yīng)變一般是由鉆孔帶來的應(yīng)變及孔區(qū)域匯集產(chǎn)生的應(yīng)變構(gòu)成的。對于這個盲孔方法的檢測當(dāng)中，一般是通過鉆削帶來的應(yīng)變而造成的一些差異，對于這些差異也做了不少的探究和分析。實(shí)驗(yàn)所用的所有基體材料均為Q235低碳鋼板， Q235鋼的常溫下物理性能。這種鋼強(qiáng)度和塑性都較好，焊接性也很好，用做建筑材料的鋼盤、工字鋼、槽鋼，在一般機(jī)械制造中用作拉桿、吊鉤、螺栓、連桿、心軸、銷子及其他一些不重要的零件和焊接件，應(yīng)用最普遍。實(shí)驗(yàn)所用的Q235低碳鋼板尺寸均為：長寬高300mm150mm10mm。 Q235鋼的常溫下物理性能[32] Physical properties of Q235 steel at room temperature項(xiàng)目單位數(shù)值彈性模量E103MPa210泊松比μ——密度ρ103kg/m3屈服點(diǎn)σsMPa235抗拉強(qiáng)度σbMPa375~500伸長率δs%26 為了讓堆焊后焊縫填充金屬部位的硬度值較小，方便鉆孔測量焊接殘余應(yīng)力，查找常用焊接材料手冊，選擇堆焊焊條D112作為實(shí)驗(yàn)用的堆焊材料。 JTD112堆焊焊條，符合：GB EDPCrMoA103，是鈦鈣型藥皮的堆焊焊條，可交直流兩用。堆焊時電弧穩(wěn)定，脫渣容易。用途：用于受磨損的低碳鋼、中碳鋼或低合金鋼機(jī)件表面，特別適用于礦山機(jī)械與農(nóng)業(yè)機(jī)械的堆焊和修補(bǔ)用[33]。堆焊層硬度：HRC≥22，使用的焊條規(guī)格：350mm D112焊條的化學(xué)成份 (%) Chemical position of D112 electrodeCCrMo其它元素總量≤≤≤≤ D112焊條使用參考電流：（DC或AC） Reference current of D112 electrode: (DC or AC)焊條直徑（mm）焊接電流（A）90120150180190230使用時注意事項(xiàng)：1）焊前焊條須經(jīng)150℃左右烘焙1小時。2）大型工件堆焊前應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱至200℃左右，并將堆焊部分表面的鐵銹和油污清除干凈。（1）電阻應(yīng)變片構(gòu)造金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式，薄膜式三種。本實(shí)驗(yàn)采用的是箔式應(yīng)變片。對于箔式應(yīng)變片中的敏感柵主要利用光刻技能來研制的一個比較薄弱的金屬材料，依照檢測的原則，是可以生產(chǎn)出形狀不同的敏感柵，也就是在這一個固定的應(yīng)變片是可以生產(chǎn)出不一樣的數(shù)量的敏感柵。箔式應(yīng)變片在發(fā)熱性能上比較有優(yōu)勢，而且還可以通過巨大的電流，并且有比較小的橫向作用，使用的時間長，生產(chǎn)程序簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，目前在市場上也取代了絲式應(yīng)變片的地位。 a) A型應(yīng)變花 b) B型應(yīng)變花 c) C型應(yīng)