创新实习报告

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题 目 名 称 金属材料性能对残余应力的影响 学 院（系） 机 械 工 程 学 院 专 业 班 级 材料成型及控制工程10801班 学 生 姓 名 刘孟 指 导 教 师 张锦洲 日 期 2012/2/27 至 2012/3/25

金属材料性能对焊接残余应力的影响

目 录

1. 机械性能对焊接残余应力的影响 .…………………………………..3 1.1屈服强度的影响……………………………………….. ……………….4 1.2弹性模量的影响………………………………………………….. …….5 1.3泊松系数的影响………………………………………………………….6 2. 热力学参数对残余应力的影响………………………………….. ….

2.1热导率对残余应力的影响……………………………....…. ……………..7 2.2比热容变化对残余应力分布的影响…………. …………………………..8 2.3线胀系数变化对残余应力分布的影响…………………. ………………..9 2.4焓值变化对残余应力分布的影响……………………………….. ……...9 3 一些材料参数的试验方法 ............……………………………………………10 2.1弹性模量及泊松比的测量……………………………....…. ……………..10 2.2金属热导率的测量…………. ……………………………………………..10 2.3金属线胀系数的测量………………………………………………………12 4结束语...................................................................................................................13 5参考文献.............................................................................................................. 14

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金属材料性能对焊接残余应力的影响

金属材料的性能对焊接残余应力的影响

学生：刘孟 机械工程学院 指导教师：张锦洲 机械工程学院

[摘要]焊接作为一种重要的先进制造技术在工业生产和国民经济建设中起着非常重要的作用。经过几十年的快速发展，目前，焊接已在许多工业部门的金属结构（如建筑钢结构、船体、铁道车辆、压力容器等）制造中几乎全部取消铆接。由此可见焊接质量的重要性，本文将从金属材料的机械、热力学性能等方面对焊接质量的影响作出简要叙述。

关键词：金属材料、性能、焊接残余应力

the effect of Metal material properties on welding residual stress

Abstract：Welding as an important advanced manufacturing technology plays a very

important role in industrial production and national economic construction . After decades of rapid development , welding has been manufacturing metal structures in many industrial sectors (such as construction steel hull, railway vehicles, pressure vessels , etc.) in almost all canceled riveting . This shows the importance of the quality of welding , this article from the mechanical , thermodynamic properties of metallic materials is a brief description of the welding quality .

Key Words：Metallic materials、welding residual stress

被焊金属材料的性能，诸如机械性能所包括的弹性模量、屈服应力、泊松系数、热应变、应变硬化；热学性能所包括的线胀系数、比热、导热系数、密度、焓值等，都直接影响到焊接质量的好坏。被焊金属材料的性能好就可以得到质量合格的焊接件，反之就会出现一些焊接缺陷。本文以16MnR为例来说明金属材料的性能对焊接质量的影响。

1.机械性能对焊接残余应力的影响

焊接过程是瞬态加热、冷却的热传导过程和熔池与周围金属间的力学作用过程. 因此, 焊接过程热—力学关系方程为[1]：

GE/2(1)

3K(dkk3d)(dK/K)kk (1)

thdsij2Gdeij(dG/G)sij (2)

thdthddTldT (3)

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e金属材料性能对焊接残余应力的影响

KE/3(12) (4) GE/2(1) (5)

式中: K为温度相关的体积模量; G为温度相关的剪切模量; ζkk为应力张量; Sij为应力偏张量; εkk为应变张量; εth 为热应变; T为温度. αl 为线膨胀系数; E为弹性模量; υ为泊松比, 三者均为温度的函数。温度梯度越大, 熔池与周围金属间线膨胀系数差异越大, 导致熔池与周围冷金属间的作用力越强. 那么不同材料之间三者的差异也是较大的, 进而导致熔池与周围金属间的作用力相差较大, 因此, 最后残留在焊件中的残余应力也有所不同.

1.1屈服强度（Mpa）的影响

查国标GB151－1999 附录F可查得16MnR的屈服强度随温度的变化值如下表1 温度℃ 屈服326 强度 表1 屈服强度随温度的变化表

20 100 150 200 250 300 350 400 425 475 326 326 318 294 268 250 238 186 132 屈服强度随温度的变化曲线如下图1所示：

图1 温度-屈服强度图

随着温度的升高钢材的屈服强度变化趋势大致相同，变化趋势如图1所示。

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由[2]可得径向的残余应力与屈服应力的关系图2如下：

图2 屈服强度-径向残余应力图

由图2可得出，在同一位置随着屈服应力的增加焊接的残余应力也是增加的，焊接完后冷却阶段温度逐渐降低，屈服强度逐渐增大，直接导致焊接残余应力的变大。

1.2弹性模量（103Mpa）的影响

查国标GB151—1999附录F可得在下列温度（℃）下16MnR的弹性模量如下表2。 温度 -20 E 208 20 100 150 200 250 196 190 300 350 400 186 179 170 450 475 158 151 206 203 200 弹性模量随温度的变化曲线如下图3所示：

图3 弹性模量-温度图

由[3]可得随弹性模量变化的的纵向残余应力分布图4：

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图4 弹性模量-纵向残余应力图

从图4 可以看出，随着弹性模量的增大，焊件中纵向残余应力峰值是增高的，焊接冷却阶段随着温度降低材料的弹性模量增加，纵向残余应力呈增加的趋势。

1.3泊松系数的影响

查机械设计手册得16MnR的泊松系数为0.3，从式(4)、(5)可以看出, 泊松比影响着材料的体积模量(K)及剪切模量(G), 进而影响公式(1)、(2)的应力—应变本构方程,从而影响到了焊接过程中热应力计算结果,因此对焊接残余应力有一定的影响.由[1]可得随泊松比变化的纵向残余应力分布图5：

图5 泊松系数-纵向残余应力图

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图5为不同泊松比时的纵向残余应力对比, 随着泊松比的增大, 纵向残余应力峰值逐渐缓慢地降低, 从图5a可以看出, 泊松比对纵向焊接残余应力影响不大, 将不影响纵向残余应力的单、双峰分布特征的改变。从残余应力峰值部位的局部放大图5b可以看出, 随着泊松比的增加, 纵向残余应力峰值缓慢下降. 可见泊松比可以对纵向焊接残余应力的数值产生影响影响的程度较小, 对纵向残余应力峰值分布特征影响也很小。

2. 热—力学参数对焊接残余应力的影响 2.1热导率对残余应力分布的影响

查国标GB151—1999表F3可得16MnR的热导率λ随温度变化的一些数值。如下表3： 温度℃ 热导率 W/(m*℃) 表3 温度-热导率表

100 150 200 48.6 250 47.1 300 45.5 350 44 400 42.5 450 40.9 51.8 50.2 其随温度变化曲线图如下图6：

图6 温度-热导率图

由[3]中可以得到随热导率变化的纵向残余应力分布图7：

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图7 热导率-纵向残余应力图

从图7中可以看出，随着热导率的降低，焊缝中纵向残余应力峰值逐渐升高。在焊接冷却过程随着温度的降低热导率是增加的，纵向残余应力则是随之减小的。

2.2比热容变化对残余应力分布的影响

在机械设计手册上查到16MnR的平均比热KJ/(Kg*℃)随温度℃变化的数值如下表4： 温100 度 C 0.496 0.498 0.511 0.532 0.561 0.595 0.1 0.674 0.691 表4 温度-比热容表

200 300 400 500 600 700 800 900 其随温度的变化趋势如下图8：

图8 温度-比热容图

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由[3]可以得到随比热容的变化纵向残余应力的分布图9：

图9 比热容-纵向残余应力图

从图9中可以看出，随着比热容的降低，焊接残余应力峰值也逐渐下降，残余应力双峰效应并没消失，只是峰值逐渐下降而已。在焊接冷却过程中，随着温度的降低，材料的比热容减小，纵向残余应力也随之下降。

2.3线胀系数变化对残余应力分布的影响

由[1]可得出随线胀系数变化的纵向残余应力的分布图10：

图10 线胀系数-纵向残余应力图

从图10中可以看出，随着线胀系数的降低纵向残余应力的峰值呈减小趋势

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但幅度不大。

2.3焓值变化对残余应力的影响

由[4]中得出的结论焓值的变化对于二维的影响很小，尤其对于V形坡口而言，这种影响几乎为零。

3. 一些材料参数测量的试验方法

由于现在的材料库不是很健全，对于某种特定的材料而言以上所述参数不一定都查的到，所以我们必须做试验得出这些参数，下面就对一些参数测量的试验方法做出简要叙述。

3.1弹性模量及泊松系数的测量的试验方法

弹性模量及泊松系数测量试验方法详见附件GB/T22315—2008和GB/T228

3.2比热容的测量的试验方法

3.2.1试验原理

将质量为M1的金属样品加热后，放到较低温度的介质中，样品将逐渐冷却。其单位时间的热量损失（△Q/△t）与温度下降的速率成正比：

Q tc1M11t （1）

根据冷却定律有：

Q t1S1(10)m （2）

mc1M11t1S1(10) （3）

同理，对质量为M2，比热容为C2的另一种金属样品，可有同样的表达式：

c2M12t2S2(10)m （4）

由式（3）和（4），可得：

m t2S2(20)m 11S1(10)c1M1 t所以

1

M1m2S2(20) tc2c12S()m 1110M2t假设两样品的形状尺寸都相同，即S1=S2；两样品的表面状况也相同，而周

c2M22第 10 页 共 14 页

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围介质（空气）的性质当然也不变，则有12。于是当周围介质温度不变（即室温θ0恒定），两样品又处于相同温度12时，上式可以简化为：

M1()1

t （5） c2c1M2()2

t

3.2.2试验仪器

3.2.2试验步骤

开机前先连接好加热仪和测试仪，共有加热四芯线和热电偶线两组线。 1、选取长度、直径、表面光洁度尽可能相同的两种金属样品（铜、试件）用物理天平或电子天平秤出它们的质量M0。

2、使热电偶端的铜导线与数字表的正端相连；冷端铜导线与数字表的负端相连。当样品加热到150℃（此时热电势显示约为6.1mV）时，切断电源移去加热源，样品继续安放在与外界基本隔绝的有机玻璃圆筒内自然冷却（筒口须盖上盖子），记录样品的冷却速率tE14.20mV()100℃。具体做法是记录数字电压表上示值约从

降到E24.00mV所需的时间t（因为数字电压表上的值显示数字

(Et)E4.00mV是跳跃性的，所以

E1、E2只能取附近的值），从而计算。按试件、铜

的次序，分别测量其温度下降速度，每一样品应重复测量6次。因为热电偶的热电动势与温度的关系在同一小温差范围内可以看成线性关系，即

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((tt)1)2((EtEt)1)2，式（5）可以简化为：

M（t）12 c2c1M2(t)1

3、仪器的加热指示灯亮，表示正在加热；如果连接线未连好或加热温度过高（超过200℃）导致自动保护时，指示灯不亮。升到指定温度后，应切断加热电源。

3.2.3注意事项

1、加热装置向下移动时，动作要慢，应注意要使被测样品垂直放置，以使加热装置能完全套入被测样品。

2、。测量降温时间时，按“计时”或“暂停”按钮应迅速、准确，以减小人为计时误差。

3.2.4数据记录与数据处理

Mcu= g；M试件= g。铜比热容C1=Cu=0.0940 cal/（g℃）

天0.5g

热电偶冷端温度：0℃

样品由4.20mV下降到4.00mV所需时间（单位为S） 次数 样品 T试件(s) tCu(s) 1 FeMCUAl0.05g 4 5 6 平均值t 2 C试件=CcuMcut试件M试件tcu3

3.3金属线胀系数的测量 3.3.1实验仪器：

控温式固体线胀系数测定仪、光杠杆、读数望远镜

3.3.2实验原理：

设金属棒的长度为L0 ，（温度为00C）。当温度为t时，长度为L，

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LL0(1t) α为线胀系数，当温度为t1时，其长度为L，当温度升高

到t2时，其长度增加δ：

LL0(1t1)LL0(1t2) L(t2t1)t1 两式组合得

L(t2t1)t1

L(t2t1) δ由光杠杆

测出，设置障碍d1为光杠杆后足尖到前二足尖连线的垂直距离，d2为光杠杆镜面到望远镜的距离，则

(a2a1)d12d2 a1为温度t1时望

远镜读数，a2为温度升高到t2时望远镜读数。设光杠杆上下叉丝读数之差为x，则100 x=2d2 。

3.3.3实验步骤

1、把被测试件取出，用米尺测量金属棒长L1，然后轻轻放回仪器孔中， 2、把光杠杆放好，调节望远镜及光杠杆，使望远镜里观察到标尺，并使叉丝对准“0”刻线。

3、测量望远镜中最上刻线和最下刻线之差x。

4、打开电源，显示目前温度，即L1对应的温度t1

5、按预置开关，进入预置状态，调节“预置调节”按钮，设置预置温度t2，再按预置开关，进入工作状态，此时仪器开始加热。到达预置温度后，温度会继续上升然后下降，当降回预置温度时，记录此时望远镜的读数。

6、重新设置预置温度t2，重复步骤6。

(a2a1)d12d2L1(t2t1)7、利用及计算α，求其平均值及误差。

4、结论

焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等缺陷的主要原因，因此，采取恰当的措施及对策，消除或减轻残余应力的影响并预防事故的发生，具有极大的经济效益及社会效益。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,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。

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参考文献：

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