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不同厚度堆焊層表面殘余應(yīng)力分析碩士學(xué)位論文-在線瀏覽

2024-08-08 09:38本頁面
  

【正文】 構(gòu)、焊接工藝的優(yōu)化、焊接參數(shù)的選擇、控制和消除焊接殘余應(yīng)力的方法均可由計(jì)算機(jī)完成,不必進(jìn)行大量的試驗(yàn)工作,這樣就大大地節(jié)省了人力、物力和時間,具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確程度,采用盲孔法測量4種厚度堆焊層中的殘余應(yīng)力值,結(jié)果表明模擬焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律與實(shí)測結(jié)果趨于一致。主要目的就是為了提高零件的使用壽命,使零件更加耐磨損,能夠抵抗高強(qiáng)度的熱量,耐腐蝕等。(1)氧乙炔焰堆焊:通常應(yīng)用在目的為求得有著最低限度的修整加工量的平滑表面。運(yùn)用這種技術(shù)后,可以使材料中的合金性能不變,在當(dāng)前普遍應(yīng)用于耐磨的機(jī)器零件方面[1]。這種技術(shù)需要把焊條和工件接到電源的兩極,在引燃電弧后,焊條表面得以熔化,遇冷后變?yōu)槎押笇?。這種堆焊方法也存在一定的缺點(diǎn),就是工作進(jìn)度較慢,稀釋率較高,接近15%25%,堆焊層厚且不均勻,操作環(huán)境差。在運(yùn)用這種技術(shù)時,要選擇高質(zhì)量的焊條、焊條直徑、堆焊電流、堆焊速度、零件的預(yù)熱溫度等對堆焊質(zhì)量和生產(chǎn)率都有重要影響。但問題是,堆焊層越多,越容易發(fā)生開裂和剝離現(xiàn)象。生產(chǎn)效率比氧—乙炔焰堆焊高,工件變形小[3]。他們之間的區(qū)別在于自動埋弧堆焊希望在不降低生產(chǎn)率的條件下盡量獲得較小的熔深。(4)振動電弧堆焊:這種焊接技術(shù)是利用一種細(xì)焊絲,通過一定的振幅和頻率使其連續(xù)發(fā)生振動,產(chǎn)生脈沖電弧堆焊。因而振動電弧堆焊在農(nóng)機(jī)修理方面得到廣泛應(yīng)用。水蒸氣雖不是理想的保護(hù)氣體,但較空氣的氧化性低,且廉價易得,故可作為振動電弧堆焊的保護(hù)介質(zhì)。水蒸氣的攪動還有助于熔池中氣體的逸出和熔渣的上浮,減少了堆焊層中的氣孔與夾渣。這種技術(shù)實(shí)際上也屬于電弧堆焊。這種技術(shù)得到的弧柱不易于產(chǎn)生變化,溫度較高,可以有效集中熱量,規(guī)范參數(shù)可調(diào)性好,熔池平靜,可控制熔深和熔合比(熔合比可控制在5%~15%);熔敷效率高,堆焊焊道寬(焊槍擺動可控寬度為3mm~40mm,~8mm),易于實(shí)現(xiàn)自動化,堆焊層具有優(yōu)質(zhì)性能、熔深要求不搞、堆焊層稀釋率不高、形狀較為規(guī)整、加工余量不大;粉末等離子堆焊還有堆焊材料來源廣的特點(diǎn),很有發(fā)展前途。等離子堆焊可分為以下形式[2]: ①冷絲等離子堆焊 這種技術(shù)多用于可以拔絲的堆焊合金,如合金鋼、不銹鋼等,常用自動送絲法。②熱絲等離子堆焊 這種技術(shù)的原理是,將焊絲首先利用電阻進(jìn)行預(yù)熱,然后再將焊絲送入電弧區(qū)進(jìn)行堆焊,可以用不銹鋼、銅基合金等,因?yàn)樵诙押盖昂附z需要預(yù)熱,因此可以大大提高熔敷率,使稀釋率得到有效控制,可低至5%,并且在焊接過程中降低堆焊層氣孔的出現(xiàn)機(jī)率。③預(yù)制型等離子堆焊 根據(jù)制作的需要,把堆焊合金預(yù)先制作成一定的形狀,置于加工零件的表面,利用等離子弧的熱量把它熔化,堆焊于零件表面。④粉末等離子堆焊 這種技術(shù)就是把合金粉自動送入等離子弧區(qū)的技術(shù)。這種技術(shù)可以利用自動化技術(shù),且所獲得的堆焊質(zhì)量較高。(6)氣體保護(hù)電弧堆焊:氣體保護(hù)電弧堆焊的實(shí)質(zhì)是,用保護(hù)性氣體在堆焊區(qū)(包括電弧周圍及熔池附近)造成一個厚而遮蔽的氣體保護(hù)層,以避免熔化金屬受到外界大氣的侵入和氧化。(7)電渣堆焊:電渣堆焊是利用特殊電渣的電阻熱熔化堆焊材料與基體母材形成熔池的一種對焊方法。但是在操作過程中會出現(xiàn)電渣堆焊接頭溫度超高,在堆焊后要對產(chǎn)生的熱量進(jìn)行處理。利用電渣堆焊技術(shù),在焊絲的選擇上可以選擇實(shí)心焊絲、管形焊絲等。(8)激光堆焊:利用這種技術(shù)可以準(zhǔn)確控制熱量的輸入,涂層具有一定的厚度,在加熱過程中不易出現(xiàn)變形,可以準(zhǔn)確控制成分和稀釋率,可以創(chuàng)造有著較好性能的合金堆焊層,其性能在耐磨、耐腐蝕、抗氧化等方面有著較好的性能,因此其在工業(yè)中的應(yīng)用前景廣闊。施焊時,由于兩塊金屬之間的高速高壓碰撞,在碰撞速度和碰撞角均合適的情況下,會在板間形成一股高速射流。而碰撞點(diǎn)附近的金屬在高壓的作用下,即形成冶金結(jié)合。(10)寬帶極堆焊:寬帶極堆焊是利用金屬帶作為填充材料的一種焊劑層下堆焊方法。常用的帶極寬度有60mm、75mm、120mm、和150mm不等。在可達(dá)150mm的寬度上,焊縫一次成型。寬帶極堆焊在化工、核電工業(yè)中常被用于堆焊反應(yīng)釜、交換器等大型容器表面。在實(shí)際操作中,堆焊技術(shù)具有較為明顯特點(diǎn):堆焊層和母材有著較好的冶金結(jié)合性能,堆焊層在處理過程中不易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,而且可以根據(jù)需要來選擇和設(shè)計(jì)堆焊合金,可以使材料或者零部件表面有著很好的性能,如耐磨、抗腐蝕、不怕高溫和抗氧化等,有著較強(qiáng)的工藝靈活性。(1)適用于研究和開發(fā)更高水平的堆焊技術(shù),可以用于不斷提高工藝水平的研究。因此需要根據(jù)不同需要和磨損類型等來選擇恰當(dāng)?shù)亩押负辖?,以獲得最佳的堆焊效果。(3)稀釋率低。所謂的稀釋率指的是在堆焊焊縫時,母材金屬所占的比重。所以,為了確保堆焊層表面成分的理想性能,需要盡可能的降低母材在堆焊金屬中的溶入量,也就是要求有效的降低稀釋率。焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。必要時,在堆焊層和母材材料之間堆焊過渡層。堆焊技術(shù)就是將堆焊合金熔化后敷在金屬或在零部件外表,使其外表有著設(shè)定的性能和大小的技術(shù)。如鋼鐵制造中各種閥門制造,用于交通方面的汽車或機(jī)車發(fā)動機(jī)等耐磨零部件的制造和維修。應(yīng)用這種焊接技術(shù)的目的,就是為了延長受損零部件的使用壽命,也少量應(yīng)用于恢復(fù)零部件的尺寸大小。而且由于這種方法生產(chǎn)出的零部件有著不同的合金成分及性能不同,可以實(shí)現(xiàn)性能多樣化,滿足不同需求,提高零部件的抗磨、抗熱、抗腐蝕等性能。(2)修復(fù)舊零件 這種技術(shù)在使用恰當(dāng)?shù)暮辖鸩牧蠈Ψ酆芫贸霈F(xiàn)磨損的零部件可以恢復(fù)其尺寸或提高其性能,能夠有效降低制造成本,節(jié)約資源,延長使用時間,降低配件的使用。利用堆焊技術(shù),不但可以修復(fù)零部件,而且可以延長零部件的使用壽命。需要注意的是堆焊合金成分也要根據(jù)堆焊合金的使用性能;二是選擇恰當(dāng)?shù)亩押腹に?,明確相關(guān)操作規(guī)程。在堆焊技術(shù)的發(fā)展初期,主要應(yīng)用于零部件的修復(fù),也就是恢復(fù)形狀及尺寸。堆焊技術(shù)發(fā)展到60年代,已經(jīng)不在局限于零部件的維修方面,同時可以優(yōu)化零部件的使用性能,我國實(shí)行改革開放以后,堆焊技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展,不再局限于修理業(yè),普遍應(yīng)用于制造業(yè)。堆焊技術(shù)發(fā)展到80年代,逐漸出現(xiàn)了高碳高硌耐磨合金粉塊電弧堆焊技術(shù),可以制作大面積復(fù)合鋼板,其耐磨性能得到大幅度提高。由于當(dāng)時大量出現(xiàn)了先進(jìn)制造技術(shù),在制造業(yè)當(dāng)中,使堆焊技術(shù)與智能控制技術(shù)有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)堆焊技術(shù)的自動化,并結(jié)合精密磨損技術(shù),使得堆焊技術(shù)獲得空氣發(fā)展,使得堆焊技術(shù)越來越實(shí)現(xiàn)科學(xué)化發(fā)展。最近幾年,堆焊技術(shù)領(lǐng)域重視開發(fā)研制各種先進(jìn)、高效的堆焊技術(shù)。由于堆焊技術(shù)不斷得到發(fā)展、同時出現(xiàn)了多種多樣的合金材料,在堆焊過程中運(yùn)用各種新型焊材,可以有效提高零部件的耐熱性能,延長零部件的使用時間,如馬氏體鋼堆焊絲材等;可以用于維修斷裂模具,保證模具的堅(jiān)固性,符合力學(xué)性能;將堆焊技術(shù)應(yīng)用于塑料成形模具當(dāng)中,可以提高模具的抗腐蝕和耐磨性,延長使用壽命。我國在堆焊技術(shù)的理論研究方面并不比一些發(fā)達(dá)國家差,但堆焊技術(shù)的應(yīng)用方面依然較為落后,如研制堆焊材料方面、堆焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動化方面、智能化方面、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用等方面都存在較大差距[6]。能夠幫助操作人獲得準(zhǔn)確的堆焊技術(shù)相關(guān)參數(shù)以作參考,不斷推動堆焊技術(shù)的發(fā)展,使堆焊技術(shù)得以大面積推廣[7]。在研究開發(fā)堆焊方法方面,不斷研制成功了電弧堆焊、電渣堆焊、MIG堆焊、等離子弧粉末堆焊、高能光束粉末堆焊、熱噴涂等[8]。應(yīng)用熔煉焊劑較多,而運(yùn)用燒結(jié)焊劑較少。在堆焊過程中應(yīng)用設(shè)備存在的問題是“大多都是改裝設(shè)備,而沒有專用設(shè)備?!彼?,我國在堆焊材料的選擇方面,堆焊設(shè)備方面都落后于發(fā)達(dá)國家,迫切需要在這兩方面得到提高與發(fā)展[9]。對原有材料進(jìn)行了改進(jìn),生產(chǎn)制造出了許多具有高優(yōu)性能的工業(yè)產(chǎn)品,有效節(jié)約了能源與原料,同時有利于環(huán)境保護(hù)工作,大幅提高了經(jīng)濟(jì)效益。焊接性是指同質(zhì)材料或異質(zhì)材料在制造條件下,能夠焊接形成完整接頭并滿足預(yù)期使用要求的能力。采用通常的焊接方法后,接頭中不會產(chǎn)生淬硬組織或冷裂紋。用電弧焊焊接低碳鋼時,為了提高焊縫金屬的塑形、韌性和抗裂性能,通常都使焊縫金屬的碳含量低于母材,依靠提高焊縫中的硅、錳含量和電弧所具有較高的冷卻來達(dá)到與母材等強(qiáng)度。當(dāng)厚板單層角焊縫時,焊角尺寸不宜過??;多層焊時,應(yīng)盡量連續(xù)施焊;焊補(bǔ)表面缺陷時,焊縫應(yīng)具有一定的尺寸,焊縫長度不得過短,必要時應(yīng)采用局部預(yù)熱,預(yù)熱溫度100150℃。因?yàn)檫@種鋼材的含碳量較為合適,所以具有廣泛的使用范圍,其本身具有的較好的強(qiáng)度、塑性能夠與焊接材料獲得較好的吻合,在建筑領(lǐng)域、工程構(gòu)造等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用,也可以應(yīng)用于一些制作要求偏低的機(jī)械零部件的生產(chǎn)方面。這種鋼材在焊接時,不需要提前加熱,焊接完成后也不用對加熱部分進(jìn)行處理,應(yīng)用焊接設(shè)備較為簡單。在進(jìn)行實(shí)際操作時,根據(jù)工件不同的加工要求,可以選用手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、埋弧焊等方法。(2)完整性:焊接工藝的完整性有兩層含義,一是對某一產(chǎn)品而言,應(yīng)包含受壓元件之間的焊縫,與受壓元件相焊的焊縫均應(yīng)制定焊接工藝,否則就認(rèn)為不完整。(3)有效性:焊接工藝有效性,就是能夠指導(dǎo)焊接施工,在施焊過程中得到貫徹。焊接工藝性指一種金屬可以在很簡單的工藝條件下焊接而獲得完好的焊接接頭并滿足使用要求。這樣,焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力,是焊接工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。例如,在土木工程領(lǐng)域,對于鋼結(jié)構(gòu)焊接連接,殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞性能,穩(wěn)定承載力等均有影響。就其產(chǎn)生原因及過程關(guān)系可知有下列三種情況[11]。在焊接過程中加熱不均使得金屬受熱膨脹受到抑制,造成金屬加熱部位壓縮塑性變形;在冷卻時,那部分位置其收縮受到抑制,因此由于加熱和冷卻顫了焊接熱應(yīng)力,主要是由于焊接殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的結(jié)果。(3)相變應(yīng)力就是在焊接過程中,由于對金屬零部件的加熱不均,所以金屬零部件的熱膨脹不同導(dǎo)致體積發(fā)生變化,出現(xiàn)了相變應(yīng)力,由于相變應(yīng)力產(chǎn)生的寬度和殘余應(yīng)力直接相關(guān)。直到現(xiàn)在,有關(guān)介紹大厚度重型結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力分布的資料不多,主要原因在于目前尚缺乏合適的測量大厚度結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的檢測技術(shù)。除了正在研究中的超聲波測量內(nèi)應(yīng)力技術(shù)以外,至今尚沒有能準(zhǔn)確測定大厚度內(nèi)部殘余應(yīng)力的方法。近年來的研究結(jié)果表明,對于大厚度焊件,在這三個方向上的殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布是不均勻的,其變化規(guī)律,對于不同焊接工藝有不同程度的差異。因?yàn)楹附又皇菍植坎僮?,因此從部件整體來說加熱和冷卻是不均衡的,容易受到焊縫及附近區(qū)域溫度場的影響,使得焊件內(nèi)部呈現(xiàn)出大小、分布都不均衡的殘余應(yīng)力應(yīng)變場。由于現(xiàn)在工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,在生產(chǎn)當(dāng)中廣泛應(yīng)用各種新技術(shù),所以要求焊接技術(shù)應(yīng)該具有較高水平,必須做到質(zhì)量高、價格低、安全性強(qiáng)。(1)對結(jié)構(gòu)剛度的影響 當(dāng)外載荷的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)中部分面積的殘余應(yīng)力加在一起時達(dá)到屈服點(diǎn)時,這部分區(qū)域的材料就會發(fā)生塑性變形,不再繼續(xù)承受荷載,此部分結(jié)構(gòu)的有效截面受到影響,降低了材料剛度。尤其是使用較多火焰校正后的焊接梁,其加載時剛度和卸載時的回彈量會大幅降低,對于要求較高精度尺寸的情況和高穩(wěn)定性要求的情況,還需要額外注意。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定性影響記得哦啊,且和殘余應(yīng)力的分布直接相關(guān)。增加了應(yīng)力峰值,如果達(dá)到材料的屈服數(shù)值,就會使材料受到損壞,發(fā)生斷裂現(xiàn)象。而相對于塑性材料來講,如果環(huán)境溫度較低,也會受到殘余應(yīng)力的影響,使塑性材料不易產(chǎn)生變形,負(fù)荷能力受到影響,容易發(fā)生損壞現(xiàn)象。構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力循環(huán)有一定的關(guān)系,如果應(yīng)力循環(huán)的平均數(shù)值提高時,則構(gòu)件的極限幅值就會降低,反之則高。所以,提高疲勞強(qiáng)度,不但應(yīng)該從調(diào)整和減少殘余應(yīng)力入手,還需要從技術(shù)設(shè)計(jì)及工藝方面進(jìn)行研究,從而降低殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的不利影響[14]。因此破壞了原來殘余應(yīng)力的分布狀況,同時焊件會出現(xiàn)變形現(xiàn)象,其加工精密度降低。低碳鋼長期置于常溫下,%~3%,假如原始應(yīng)力較低,那么松弛的比值就會降低,但如果環(huán)境溫度達(dá)到一千℃,松弛的比值則會成倍增長。其所需時間和殘余應(yīng)力大小有直接的關(guān)系,如果材料中含有的殘余應(yīng)力越大,那么開裂所需時間就越短。通過盲孔原理來計(jì)算出焊接層當(dāng)中的殘余應(yīng)力值。主要研究內(nèi)容包括:(1)采用Marc軟件對低碳鋼Q235板材進(jìn)行三維幾何造型,建立有限元分析模型; (2)在模型上加載焊接材料性能、邊界條件及定義參數(shù)等,建立不同厚度堆焊層焊接過程的溫度場模型,在Marc軟件中建立模型,對模型進(jìn)行模擬和后處理,求解其溫度場分布情況及特定點(diǎn)的熱循環(huán)曲線;(3)建立板材應(yīng)力應(yīng)變場模型,求解出焊后的殘余應(yīng)力分布情況,通過對不同厚度堆焊層殘余應(yīng)力模擬結(jié)論來探討,可以找出堆焊接層利用差異厚度變化所產(chǎn)生的焊接表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。(5)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比分析,驗(yàn)證所得結(jié)論的準(zhǔn)確性。然而隨著科技信息化的進(jìn)步及有限差分法的推動,逐漸形成了現(xiàn)代的有限元法,此時采用空間和時間有限元方法模擬焊接使材料和構(gòu)件的熱和力的行為成為可能[15]。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度的事實(shí)。離散之后在結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)間可以利用節(jié)點(diǎn)來連接,而對于位移及所有力也是利用節(jié)點(diǎn)得出數(shù)值。這樣就可以使得各個單元之間之間的方程有機(jī)的銜接,可以確定全部的結(jié)構(gòu)公式,分析此方程式,就能夠找到結(jié)構(gòu)的近似值。隨后到了七十年代,一些國家也利用這種方法進(jìn)行有關(guān)探討和分析,使得鑄造的發(fā)展向鍛壓、熱能解決、焊接方向推動發(fā)展,像中國在焊接領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)值研究是在八十年代初期開始的,這些年也有不少的研究機(jī)構(gòu)及私人單位開始探究這個領(lǐng)域,并且還獲得了不菲的成績。其應(yīng)用領(lǐng)域從單一的結(jié)構(gòu)分析擴(kuò)展到溫度場分析、電磁場分析、流體流速場分析以及聲場分析等多個領(lǐng)域。但是有限元的缺點(diǎn)也很明顯,它的計(jì)算量很大,尤其是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算時,計(jì)算的周期比較長[16]。因此,在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時,往往采用試驗(yàn)手段作為基本方法,其模式為“理論—試驗(yàn)—生產(chǎn)”,但大量的焊接試驗(yàn)增加了生產(chǎn)的成本,且費(fèi)時費(fèi)力。結(jié)合有限元法和技術(shù)的不斷改進(jìn),工程和科學(xué)中越來越多的問題都可以采用計(jì)算機(jī)有限元法模擬的方法進(jìn)行研究。作為促進(jìn)科學(xué)研究和提高生產(chǎn)效率的有效手段,有限元法的地位已經(jīng)顯得越來越重要了[17]。與焊接生產(chǎn)領(lǐng)域采用的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方法相比,有限元法具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可以深入理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì),弄清焊接過程中傳熱、冶金、和力學(xué)的相互影響和作用;(2)達(dá)到布局改良及工藝性能創(chuàng)新,進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)工作量,減少加工的時間,從而提升焊接
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