焊缝应力集中的磁记忆信号特征研究--《东北石油大学》2011年硕士论文
焊缝应力集中的磁记忆信号特征研究
【摘要】：压力容器的焊缝在工作中常承受着高温、高压、腐蚀、疲劳等影响,工作条件非常复杂、苛刻,又由于焊接位置往往是高应力集中区并常存在着焊接缺陷,因此很容易发生焊接失效。所以焊接设备安全可靠的运行、防治事故的发生,是涉及国家财产及人民安全的重要问题,具有重大的经济价值和社会效益。磁记忆检测技术作为一门新兴的无损检测方法,不仅能够检测出材料塑性变形及宏观裂纹,还能有效评价焊缝的应力集中及微观缺陷,因而在焊缝的质量评定方面有广阔的应用前景。
本文通过焊缝的磁记忆检测试验,分别从梯度、极值、差值、零值、过零点次数等多方面、多角度,对拉、压两种载荷状态、未焊透和固体加渣两种缺陷类型、静拉伸与拉-拉疲劳载荷、应力腐蚀与腐蚀疲劳下焊缝的磁记忆信号特征做了对比分析。
通过本文的研究,分析了拉、压载荷状态对应的不同磁记忆信号特征,并且把磁记忆技术与焊缝典型缺陷类型检测评定结合起来,得出了未焊透磁记忆信号波宽的变化比较大,而固体夹渣用磁记忆信号梯度来表征更为敏感。通过对比固体加渣和未焊透两种缺陷试件受载荷下的磁记忆信号变化规律,研究了磁记忆特征信号在焊缝缺陷种类确定和缺陷严重程度评价上的可行性与有效性,使磁记忆技术在对焊缝的质量评价上扩展到了缺陷定型、定量的领域。
同时本文总结了静拉伸与拉-拉疲劳载荷下磁记忆信号的变化规律,以及应力腐蚀和腐蚀疲劳下磁记忆信号的不同表征,结果发现,静载荷下磁记忆信号随载荷增加斜率逐渐变大,并在弹性阶段内较屈服阶段内变化明显;疲劳载荷下,磁记忆信号曲线波动起伏较多;应力腐蚀磁记忆信号常出现两种曲线形貌交替变化的特征变化;而腐蚀疲劳下磁记忆信号曲线位置、形貌没有较大波动。通过本文的研究,也为磁记忆技术在工程实际中对各种破坏形式的判据提供了数据基础与实验基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：东北石油大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TG441.7【目录】：
摘要4-5Abstract5-10第一章 绪论10-19 1.1 课题来源10 1.2 课题的背景、目的及研究意义10-11 1.3 传统无损检测方法11-13 1.4 磁记忆无损检测技术13-17
1.4.1 磁记忆技术的提出及其与传统无损检测技术的对比13
1.4.2 磁记忆技术应用的研究现状13-15
1.4.3 磁记忆检测仪器及软件的研究现状15-16
1.4.4 磁记忆技术在焊缝检测中研究现状、存在问题、发展方向16-17 1.5 论文研究的内容17-19第二章 焊缝应力集中的磁记忆检测机理19-29 2.1 引言19 2.2 焊缝的应力场与磁场19-21
2.2.1 焊接残余应力的产生和分布19-20
2.2.2 焊接残余应力的影响20
2.2.3 焊缝的磁偶极子模型20-21 2.3 铁磁性物质的磁化原理21-24
2.3.1 自发磁化与技术磁化21-23
2.3.2 磁致伸缩和磁弹性效应23-24 2.4 磁记忆检测机理24-26
2.4.1 磁记忆现象及原理24-25
2.4.2 应力与磁记忆信号的关系25-26 2.5 检测方式对磁记忆信号的影响26-28
2.5.1 磁记忆信号的影响因素26
2.5.2 试件放置方向与检测方向对MMM 信号的影响26-28 2.6 本章小结28-29第三章 拉、压不同静载级别下焊缝的磁记忆信号特征29-39 3.1 引言29 3.2 焊接缺陷及成因29-30 3.3 试验方案及检测结果30-32
3.3.1 实验材料和仪器30
3.3.2 焊接缺陷的制备30-31
3.3.3 磁记忆检测方法31
3.3.4 实验结果31-32 3.4 拉、压不同载荷下焊缝正反面MMM 信号研究32-34
3.4.1 拉伸载荷下焊缝正反面磁记忆信号对比分析32
3.4.2 压缩载荷下焊缝正、反面比较32-33
3.4.3 拉、压载荷MMM 信号对比及力学原理分析33-34 3.5 未焊透和固体夹渣MMM 对比分析34-38
3.5.1 焊缝未焊透磁记忆信号特征研究34
3.5.2 固体加渣缺陷磁记忆信号特征分析34-35
3.5.3 未焊透和固体夹渣磁记忆信号特征比较35-38 3.6 本章小结38-39第四章 疲劳载荷下焊缝的磁记忆信号特征39-53 4.1 引言39 4.2 疲劳累积损伤概述39-42
4.2.1 疲劳破坏过程及特点39-40
4.2.2 应力对疲劳强度的影响40-41
4.2.3 疲劳累积的磁记忆检测41-42 4.3 实验方案42-43
4.3.1 实验材料和仪器42
4.3.2 实验目的和实验过程42-43 4.4 实验结果及分析43-52
4.4.1 静拉伸载荷下磁记忆信号检测结果43-45
4.4.2 拉-拉疲劳载荷下磁记忆信号检测结果45-49
4.4.3 静拉伸及拉-拉疲劳载荷下磁记忆信号对比分析49-51
4.4.4 高、低两种应力水平疲劳载荷下磁记忆信号对比分析51-52 4.5 本章小结52-53第五章 应力腐蚀与腐蚀疲劳下焊缝的磁记忆信号特征53-65 5.1 引言53 5.2 应力腐蚀及腐蚀疲劳53-56
5.2.1 应力腐蚀及其特点53-54
5.2.2 应力腐蚀机理54-55
5.2.3 腐蚀疲劳及其特征55-56 5.3 实验方案56-57
5.3.1 实验材料和实验设备56
5.3.2 实验过程和实验目的56-57 5.4 实验结果及分析57-63
5.4.1 应力腐蚀磁记忆检测结果57-60
5.4.2 腐蚀疲劳磁记忆检测结果60-61
5.4.3 无外加载荷与加载两种应力腐蚀磁记忆信号对比分析61-63
5.4.4 应力腐蚀与腐蚀疲劳磁记忆信号对比分析63 5.5 本章小结63-65结论65-66参考文献66-70发表文章目录70-71致谢71-72论文摘要72-83
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京公网安备74号第三章 钢结构连接
第三章钢结构连接
第三节对接焊缝的构造和计算
一、对接焊缝的分类：
1.按形状分：
直缝，斜缝P/50()
2.按剖口形式分：
直边缝，单边形缝，双边型缝，形缝，形缝，形缝等。
*采用何种缝主要取决于被焊构件的厚度
3.采用剖口的目的：
焊透 二、对接焊缝的特点(相对于角焊缝而言)
用料经济，传力平顺均匀，无明显应力集中现象，对承受动荷载作用的结构较有利。焊件边缘需进行剖口加工，增加工作量，焊件长度须精确。
三、构造要求
引弧板：一般只在重要结构或受动力荷载时才用，一般情况下，未用引弧板时，焊缝计算长度等于实际长度两边各减
(原因：起点，终点不能焊透，产生应力集中现象)
坡形过滤：宽，厚改变均采用过渡(原因：宽厚突变会引起应力突变，为了使构件传力均匀，故须平缓过渡)
四、对接焊缝的计算
三点原则：
a)焊接不只为母材的一部分
b)焊的实际面积(不用引弧板时，须两端各减)
c)的取值也验收标准有关()
2.计算公式
a)当只有轴心受力时：(轴心力是指作用力通过焊件截面形心，且垂直于焊缝长度方向)
*当时，焊缝强度可以不必验算，因为我们视焊材为母材的一部分，受轴力时，母材满足条件时，斜缝必满足。
承受剪力：
同时承受轴力，剪力，弯矩
承受剪力：
同时承受轴力，剪力，弯矩
i)矩形截面：
验算：点应力最大
点剪应力最大
ii)工字型截面：
验算：点应力最大
点剪应力最大
点：虽然应力，剪应力都不是最大，但都处于较大的位置，故b点尚须验算其折算应力。
*为点的正应力，剪应力值
*1.1为强度增大系数，是结合工程实际，考虑其失效概率足够小及塑性重分布现象而得到。
iii)形截面：()
验算：正应力最大点　a点：
剪应力均匀分布：
折算应力：a点：
例3-1计算两块钢板的对接焊缝()
已知钢板宽度为，厚度为，轴向拉力。钢材为3号钢，采用普通手工电弧焊，焊缝质量为一级，焊条型，施焊时不用引弧板。
解：根据已知条件可按公式(3-1)进行验算，对于焊缝的抗拉强度设计值，可先按钢板厚度根据
查得其组别，因为钢板厚度属于第1组钢材，则()
的焊缝受拉强度设计值为。
因为施焊时未用引弧板，焊缝两端还要各减去，焊缝计算长度。代入公式(3-1)得：
焊缝应力大于焊缝强度设计值。但差值小于5%，可勉强使用。若
改为斜缝，取切割斜度为1.5：1，相应的斜角为。则焊缝的计算长度为
焊缝的抗剪强度设计值。斜向受力的焊缝按式(3-2)、(3-3)计算
计算结果，故安全。
例3-2计算三块钢板焊成工字形截面的对接焊缝()
已知截面尺寸为：翼缘板宽度，厚度，腹板高度，厚度。轴向拉力，作用在焊缝上的弯矩，作用在焊缝上的剪切力。钢材为16锰钢，采用手工焊，焊缝质量为二级，焊条E50，施焊时用引弧板。
解：根据已知条件可按公式(3-9)进行验算，首先确定焊缝的抗拉强度设计值，按钢板厚度根据()
查得(翼缘和腹板的厚度分别为和)焊缝抗拉和抗剪强度设计值为。
其次，计算焊缝截面面积、截面惯性矩、截面抵抗矩和翼缘焊缝处以上翼缘板对中和轴的面积矩
分别计算翼缘焊缝处由受拉引起的正应力，受弯相起的正应力和受剪引起的剪应力。因为在弹性阶段，弯曲应力对称中和轴按直线变化，翼缘焊缝处的弯曲应力可由最大应力按中和轴距离的比例得到。
计算结果折算应力，故安全。
例3-3计算牛腿的连接()
已知截面尺寸为：翼缘板宽度，厚度，腹板高度，厚度。距离焊缝处有一竖向力。钢材为15锰钒钢，采用手工焊，焊缝质量为三级，焊条，施焊时不用引弧板。
解：根据已知条件，牛腿是由翼缘的水平焊缝和腹板的竖向焊缝所连接，承受距离焊缝为的竖向力，因此焊缝剪力和弯矩。因为翼缘的竖向刚度较差，不能承担剪力，所以可假定全部剪力由腹板上的矩形焊缝承受，弯矩则由整个焊缝形截面来随。
设剪应力沿腹板平均分布，点与点相同，因此，需验算b点的折算应力(因点的正应力最大)。
先计算焊缝截面的形心轴x-x的位置，然后求出焊缝惯性矩和腹板焊缝面积。因不用引弧板，腹板焊缝下端应减去5mm，任其上端与水平焊缝相连，故可不减。
计算点的弯曲正应力和剪应力，然后再计算折算应力。焊接变形与焊接应力???8,8
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焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限（Yield strength），以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。 这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。
焊接残余，是焊接工程研究领域的重点问题。涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。例如，在土木工程领域，对于钢结构焊接连接，残余应力对结构的疲劳性能，稳定承载力等均有影响。中子衍射
轮廓法对结构或构件的影响 　　焊接是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。[1]
对结构刚度的影响 　　当外载产生的应力δ与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点fy时，这一区:域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截而积减小，结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝)，或经过火焰校正，都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。[1]
对静载强度的影响 　　
如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限，发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降，导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。 [1]
对于焊接构件，只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力(没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素)，残余应力不会降低构件的静力强度。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时，外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中，应力不断增加，当叠加总应力达到材料的屈服极限fy，构件中存在残余拉应力的截而提前进入塑性区，后增长的外荷载仅由截而的弹性区承担，随荷载的增大，弹性区减少，塑性区增大，内部应力不断叠加，应力发生重新分布，直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布，故静力荷载相等，即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在一定条件下会失去塑性，变成脆性或者构件材料塑性较低，残余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生，在加载过程中，应力峰值不断增加，直至达到材料强度极限后发生破坏。因而残余应力对其有影响。 [1]近年来，计算机数值模拟技术逐渐应用于焊接结构残余应力的研究中。
焊接残余应力应力的计算机模拟采用热力耦合的弹塑性有限元模型，采用热分析与静力分析耦合的方法，计算得到了包括电弧焊、激光焊、电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、惯性摩擦焊等高新焊接技术在内的几乎所有焊接技术得到的焊接结构中的残余应力分布。模拟结果与实验测得值吻合良好。
计算机模拟方法正在逐步推广成为工业界广泛采用的一种不可或缺的数字化制造技术。
多家国内大学与研究单位，如清华大学（先进成型制造技术教育部重点实验室），西北工业大学（摩擦焊陕西省重点实验室）等，都在焊接残余应力的模拟与仿真技术开发与应用方面有着丰富的研究经验。
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浅谈焊接残余应力控制措施及消除方法
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　摘要：文章主要阐述了焊接结构在焊接过程中产生的残余应力及应力的消除方法，主要说了焊接残余应力的分布、焊接残余应力施工中的控制、焊后消除焊接应力的方法。中国论文网 /8/view-3656830.htm　　关键词：焊接 残余应力 控制 措施 消除方法　　前言　　随着焊接技术的迅速发展，在短短的几十年中焊接已是工业技术中的重要方法之一。如建筑钢结构、压力容器、船舶、车辆等中几乎全部用焊接代替了铆接。部分过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯也改成了焊接结构，焊接技术不仅大大减化了生产工艺，而且还降低了很多成本。但是实际焊接中也存在不少问题，如焊接的内应力、焊接结构的变形、焊接结构的脆性断裂、焊接结构的疲劳强度等都直接影响着焊接的质量。本文就对焊接残余应力进行具体分析。　　一、焊接残余应力的分布　　在厚度不大（δ<15-20mm）的常规焊接结构中，残余应力基本上是双轴向的，厚度方向上的应力很小。只有的大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大。焊接应力分别有焊缝方向的纵向应力、垂直焊缝方向的横向应力和厚度方向的应力。　　二、焊接残余应力施工中的控制　　在焊接过程中采用一些简单的工艺措施往往可以调节内应力，降低残余内应力的峰值，避免在大面积内产生较大的拉应力，并使内应力分布更为合理。这些措施不但可以降低残余应力，而且也可以降低焊接过程中的内应力。因此有利于消除焊接裂纹。现在把这些措施分述于后：　　1、采用合理的焊接顺序和方向　　尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝。如带盖板的双工字钢构件，应先焊盖板的对接焊缝，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝，使对接焊缝能自由收缩，从而减少内应力。　　先焊工作时受力较大的焊缝，如在工地焊接梁的接头时，应先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝，然后焊接腹板对接焊缝，最后再焊接翼缘角焊缝。这样的焊接次序可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。翼缘角焊缝留在最后焊接，则可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以在焊接翼缘板对接焊缝时采取反变形措施，防止产生角变形。试验证明，用这种焊接次序焊接的梁，疲劳强度比先焊腹板后焊翼缘板的高30%。　　在拼板时，应先焊错开的短焊缝，然后再焊直通长焊缝。如采用相反的次序，即先焊长焊缝，再焊短焊缝，则由于短缝的横向收缩受到限制将产生很大的拉应力。在焊接交叉（不论是丁字交叉或十字交叉）焊缝时，应该特别注意交叉处的焊缝质量。如果在接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷（如未焊透等），则缺陷正好位于纵焊缝的拉伸力场中，造成复杂的三轴应力状态。此外，缺陷尖端部位的金属，在焊接过程中不但经受了一次焊接热循环，而且由于应变集中的原因，同时又受到了一次比其它没有缺陷地区大得多的挤压和拉伸塑性变形的过程，消耗了材料的塑性，对强度大为不利。这里往往是脆性断裂的根源。　　2、在焊接封闭焊缝或其它刚性较大，自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝隙的自由度。　　3、锤击或辗压焊缝　　每焊一道焊缝用带小圆弧面的风枪或小手锤锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过份产生裂纹。采用辗压法，也可有效地降低内应力。　　4、在结构适当部位加热使之伸长　　加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形。在冷却时，加热区的收缩和焊缝的收缩方向相同，使焊缝能自由地收缩，从而降低内应力。利用这个原理可以焊接一些刚性比较大的焊缝，获得降低内应力的效果。如大皮带轮或齿轮的某一轮幅需要焊修，为了减少内应力，则在需焊修的轮幅两侧轮缘上进行加热，使轮幅向外产生变形。焊缝在轮缘上，则应在焊缝两侧的轮幅上进行加热，使轮缘焊缝产生反变形，然后进行焊接，都可以取得良好的降低焊接应力的效果。　　三、焊后消除焊接内应力的方法　　由于焊接内应力的不利影响只有在一定的条件下才表现出来。例如，对常用的低碳钢及低合金结构钢来说，只有在工作温度低于某一临界值以及存在严重缺陷的情况下才有可能降低其静载强度。要保证焊接结构不产生低应力脆性断裂，是可以从合理选材，改进焊接工艺，加强质量检查，避免严重缺陷来解决的。消除内应力仅仅是其中的一种方法。　　常用的焊后消除内应力的方法有：整体高温回火、局部高温回火、机械拉伸、温差拉伸以及震动法等。前两种方法在降低内应力的同时还可以改善焊接接头的性能，提高其塑性。具体如下：　　1、整体高温回火　　这个方法是将整个焊接构件加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度，材料的成分和组织，也和应力状态，保温时间有关。对于同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力也就消除得越彻底。　　2、局部高温回火处理　　这种处理方法是把焊接周围的一个局部区域进行加热。由于这种方法带有局部加热的性质。因此消除应力的效果不如整体处理，它只能降低应力峰值，而不能完全消除。但局部处理可以改善焊接接头的机械性能。处理的对象只限于比较简单的焊接接头。局部处理可用电阻、红外、火焰和感应加热等。消除应力的效果与温度分布有关，而温度分布又与加热区的范围有关。为了取得较好的降低应力的效果，应该保证足够的加热宽度。　　3、机械拉伸法　　机械拉伸法是通过加载拉伸，拉应力区在外载的作用下产生拉伸塑性变形。它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反。因为焊接残余内应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，内应力也就消除的越彻底。　　机械拉伸消除内应力对一些焊接容器特别有意义。它可以通过液压试验来解决。液压试验根据不同的具体结构，采用一定的过载系统。液压试验的介质一般为水，也可以用其它介质。这里应该指出的是液压试验介质的温度最好能高于容器材料的脆性断裂临界温度，以免在加载时发生脆断。对应力腐蚀敏感的材料要慎重选择试验介质。在试验时采用声发射监测是防止试验中脆断的有益措施。　　总之，在现代化工业制造中，金属焊接结构的应用日趋广泛。但由于金属的物理化学性能存在的差异，使得金属焊接的问题比较复杂。在上面讨论的内容中，并没有对其深层次的机理问题进行探讨，只是结合实际情况，对如何实现焊接质量的合格，采取了有针对性的措施，仅供各位工程技术人员探讨。
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