减摩法调控结构钢焊接残余应力技术研究

根据焊缝固态收缩对焊接残余应力形成的作用，课题组进一步研究了将滑动摩擦变滚动摩擦的方法来减轻焊件自重拘束以达到调控焊接残余应力的目的，对不同板厚的薄钢板对接接头进行了试验研究，通过盲孔法测试了近缝区的焊接残余应力，试验结果表明，在采取减轻自重拘束工艺措施的情况下，薄板对接接头上的焊接残余应力峰值及平均值均显著降低。     

板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析

为考察板件厚度变化对正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力的影响规律,采用ANSYS有限元软件的生死单元技术和热-结构耦合分析方法,对顶板-纵肋焊接细节进行了数值模拟,得到其焊接残余应力分布,并重点分析了板件厚度变化对焊接残余应力的影响规律.研究结果表明,横向残余应力在焊趾和焊根附近达到最大值,其数值约为材料屈服强度的2/3;纵向残余应力在焊缝中心处达到最大值,其数值已超过材料屈服点.板件厚度变化对纵向残余应力影响不明显,对横向残余应力影响较大,当顶板件厚度由12 mm增大到20 mm时,横向残余应力最大值增加45%.基于分析结果,建立了不同板件厚度的焊接残余应力统一分布模型,为顶板-纵肋焊接残余应力的研究与设计提供参考.     

焊接CGHAZ相变超塑性及对拉伸断裂性能的影响

藉助于Ｇｌｅｂｌｅ１５００热模拟试验机，采用模拟焊接热循环拘束位移的方法，测定了ＨＴ８０钢模拟ＣＧＨＡＺ的膨胀曲线和拘束应力曲线，研究了ＣＧＨＡＺ的相变超塑性现象，并试验获得了静拉伸强度与塑性．试验结果表明：（１）在模拟焊接ＣＧＨＡＺ中确是存在着相变超塑性，其变形量随着拘束位移的增大而增大；（２）相变超塑性具有使ＣＧＨＡＺ晶粒细化、降低强度和提高塑性的作用，这些都是以往难以实现的问题；（３）焊接过程的强拘束导致ＣＧＨＡＺ发生相变超塑性，不仅降低了ＣＧＨＡＺ的残余应力，而且改善了显微组织与力学性能     

厚板钢梁节点焊接过程监测评估与有限元分析

针对厚板钢梁节点焊接温度和残余应力,以天津某场馆为依托,进行监测评估和有限元分析.对不同板厚(35,mm、50,mm、80,mm、100,mm)和不同路径的横向、纵向残余应力以及焊接温度和支座处混凝土的状态等情况进行了全面监测,分析了厚度对焊接温度和焊接残余应力的影响.结果表明:焊接过程是一个传热过程,属于非均匀瞬态温度场,存在热量传输的"热滞后"现象.沿板宽方向的最高温度出现在钢板中心处,呈中间高、两端低的分布特点,与横向残余应力的分布特点完全一致.随着焊接钢板厚度的增加,纵、横向残余应力及其沿厚度的变化率均明显增大;但厚度超过80,mm后,残余应力的增长速率有明显降低,说明多层、多道焊接方法可有效减小残余应力.     

气动冲击对顶板-U肋焊接残余应力的影响

为研究气动冲击技术对钢桥面板焊接结构残余应力场的影响,建立气动冲击处理顶板-U肋焊接有限元模型.首先对顶板-U肋焊接进行模拟,得到顶板-U肋焊接残余应力场的分布.焊接结果表明:顶板-U肋连接焊缝区域存在较大的残余应力,焊趾及焊根中部位置处存在较大的横向拉应力.在此基础上,建立气动冲击处理焊缝的动力学模型,研究冲击速度、角度和冲击头大小对焊趾附近横向应力的影响.气动冲击结果表明:气动冲击可以将焊缝处的残余拉应力转为残余压应力,形成半椭球形的压应力区,并通过试验对模型进行了验证.冲击参数中,冲击速度和冲击头尺寸对横向应力的影响较大,冲击速度及冲击头尺寸的增大,能提高压应力值大小及压应力区的范围.     

钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力分析

对钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力进行分析。采用热-结构直接耦合方法,分析了构件焊接温度场及应力场,得到构件中心截面母板纵向、母板横向、U肋纵向及焊缝中心竖向的残余应力分布曲线。结果表明:母板及U肋近焊缝区存在较大的残余拉应力,残余拉应力峰值接近材料屈服强度;自焊缝中心往外,残余拉应力值下降并转变为压应力;热影响区之外,母板及U肋纵向残余应力主要表现为压应力,并向两端缓慢下降;母板横向残余应力主要表现为拉应力,近焊缝区存在应力突变;沿焊缝竖向纵、横向应力变化趋势基本相同。     

残余应力与拘束对GH4169合金疲劳及蠕变-疲劳裂纹扩展速率影响研究

为深入理解残余应力与拘束在疲劳载荷下的交互作用,以镍基高温合金GH4169为研究对象,选用紧凑拉伸(CT)试样,对不同拘束CT试样的上方施加不同大小的预加载荷从而在裂尖产生不同应力。将该应力作为残余应力,系统研究残余应力和拘束交互作用下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率。结果表明：随着裂尖残余压应力的增加,不同拘束下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率均降低。与低拘束试样相比,高拘束试样的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖Mises应力和垂直于裂纹扩展方向的正应力有关。与疲劳裂纹扩展速率相比,蠕变-疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感。     

Q345B钢梁柱节点焊接残余应力模拟及试验验证

为研究梁柱节点焊接残余应力的分布规律,对梁柱节点焊接残余应力进行了数值模拟,并进行了试验验证.首先,建立梁柱节点焊接全过程随机热力学模型,分析梁柱节点的焊接温度场;其次,通过间接热力耦合分析法分析梁柱节点焊接残余应力分布;最后,通过制作梁柱焊接节点,利用盲孔法测得梁柱节点焊接残余应力,并与模拟结果对比分析.分析结果表明:上、下翼缘焊缝由于距离较远以及工艺孔的存在,焊缝之间的相互影响很小,两者的焊接残余应力基本一致;腹板焊缝之间由于距离很近,焊接时的相互影响较大,两道焊缝残余应力分布不一致;在梁柱节点焊缝焊趾区域,梁上、下翼缘焊缝残余应力分布基本一致,等效残余应力呈V型分布,横向、纵向、法向焊接残余应力都基本呈M型分布,因腹板两道焊缝焊接时产生相互影响导致梁腹板两道焊缝应力分布差别明显.     

板件厚度对残余应力分布的影响分析

采用ANSYS软件建立了一个T型焊件,将面板厚度在14～20 mm之间变化,借此来研究板件厚度对焊接残余应力分布的影响。计算结果表明：面板上缘的残余应力在不同方向表现为不同属性,其中纵向为压应力,横向为拉应力;下缘纵向的残余应力接近材料屈服极限;面板越厚,下缘纵向和横向残余应极值之间的差距就越小;横向残余应力对面板厚度变化的敏感性要强于纵向的残余应力;如果将面板的厚度增加6 mm,在焊趾处,纵向和横向的残余应力分别增加了1.5%和9.9%,而在焊根处则分别增加了7.0%和20.5%。     

振动焊接对焊件疲劳寿命的影响及机理分析

对机械振动焊接试板与常规埋弧自动焊接试板进行了残余应力测试、金相观察及疲劳试验,研究了机械振动焊接对焊件疲劳寿命的影响。结果表明,机械振动焊接降低焊接残余应力、细化焊缝和热影响区的金相组织,提高焊件疲劳寿命。在本试验条件下,纵向残余应力降低43％,横向残余应力降低25％;振动焊接试样热影响区的晶粒度为5级,而常规埋弧自动焊接试样热影响区的晶粒度为3级;振动焊接试样的疲劳寿命提高35％。并应用金属疲劳理论分析了振动焊接提高焊件疲劳寿命的内在本质。     

边界约束对中厚板焊接残余应力的影响

基于已有试验数据及有限元模型计算结果,对约束、自由边界下中厚板焊接残余应力进行了数值模拟,通过改变热、力学边界,得到了焊前预热、焊后热处理,力学约束程度、约束距离改变对不同外边界焊接残余应力的影响。结果表明：预热将显著降低热影响区残余应力,约束条件下母板残余应力的降低与预热温度成正相关,自由边界残余应力基本不受预热影响;焊后热处理使得高温非线性区(焊缝及热影响区)纵、横向残余应力降低,约束条件下横向应力在整个母板表面改变明显,而自由状态下纵向应力仅在板边缘发生波动;约束增强仅增大应力值,不改变应力分布趋势;板端约束对残余应力的影响存在单向性,横向约束的改变对纵向残余应力的影响可以忽略;约束大小保持不变,约束距焊缝的远近程度的改变对近缝区残余应力的影响较小,有限元计算在保证一定精度的前提下可以适当的减小建模尺寸以提高求解速率。     

同轴送粉激光增材工艺对温度场及应力场的影响

激光增材制造过程中金属零件能否顺利成形以及成形后组织性能的优劣直接取决于工艺参数的选择。为研究激光工艺参数对增材构件温度场和应力场的影响,本文研究基于顺序热-力耦合有限元方法对在304L基板上进行同轴送粉激光增材GH4169合金粉末的单道单层工艺开展数值模拟研究。在实验验证数值模型有效性的基础上,深入分析激光功率和扫描速度对不同区域的温度场和残余应力的影响,并探讨应力场与温度场之间的关系。在沉积层边缘区域,提高激光功率和降低扫描速度都会明显降低沉积层和基板在降温过程中的温度梯度,且该温度梯度与该位置的横、纵向残余应力呈明显的正比关系。在沉积层内部,扫描速度的变化对横、纵向温度梯度和残余应力影响微小,提高激光功率使得该区域的纵向温度梯度明显降低,但横、纵向残余应力略有增大,熔池中心区域的残余应力和温度梯度不存在明显的正比关系。     

预应力硬态切削加工中残余应力的数值模拟

航空轴承外圈的疲劳裂纹分析表明,套圈表面的残余压应力分布致使轴承表面接触疲劳寿命降低。预应力切削是一种能主动控制加工表面的残余应力状态的方法,它是通过预先给工件施加一个弹性范围内的张应力后再进行切削加工。针对预应力硬态切削的特点,建立了切削模拟的三维热力耦合模型;分析研究了材料本构方程、任意拉格朗日-欧拉方法以及刀屑接触面的摩擦模型等切削模拟中的关键技术。最后,通过切削实验和有限元模拟,比较和分析了预应力硬态切削对加工表面应力状态的影响,证明了预应力切削方法能在加工表面产生残余压应力,从而提高加工表面的接触疲劳寿命。     

单螺杆式水力机械螺杆-衬套副摩擦阻力矩的计算

单螺杆式水力机械螺杆和村套之间的摩擦阻力矩受诸多因素的影响,螺杆-衬套副的作用线(啮合线)难以用简单的计算式表达.本文根据橡胶弹性物理学理论研究了螺杆-衬套副中的各项摩擦阻力矩,如:横向力引起的摩擦阻力矩、倾倒力矩引起的摩擦阻力矩、惯性力引起的摩擦阻力矩、螺杆-衬套副的过盈值引起的摩擦阻力矩等,并给出了计算表达式,由此还给出了螺杆-衬套副的自锁条件.举例说明了摩擦阻力矩随各种参数的变化规律.     

爆炸消减钢桥面顶板-纵肋焊接残余应力的模拟分析

焊接残余应力会严重影响正交异性钢桥面的疲劳强度和使用寿命.爆炸处理方法已在冶金设备、压力容器及海上采油设施等大型焊接结构的残余应力消减中得到了应用,提出了焊接-爆炸处理全过程数值模拟流程,分析了顶板-纵肋焊接连接残余应力变化过程,考察了爆炸处理对钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力的消减效果.首先,采用热-结构间接耦合分析方...     

BCN薄膜的硬度和剩余应力的研究

类金刚石结构的立方“BCN”材料由于兼有金刚石和立方氮化硼超硬、低摩擦的优点, 如有低摩抗磨、高的热稳定性和化学稳定性,并克服了它们的缺点,因而BCN薄膜材料被作为耐磨保护层,在电学、光学方面的性能也得到广泛应用。应用反应磁控溅射法将高质量的BCN 薄膜沉淀在硅基底上,通过用微压痕测量和弯曲技术研究了他们硬度和剩余应力,发现施于薄膜沉淀物上的偏压对其硬度和剩余应力均有重要影响。     

X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应

以试验测得的X80钢高温性能参数为基础建立了曲面对焊结构仿真模型,并进行了试验验证,研究了曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度等尺寸效应对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律。结果表明：曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响;随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,残余压应力峰值逐渐减小;曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构中焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能;在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,焊接残余应力分布对壁厚的变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大并产生应力集中区域。     

砂轮约束磨粒喷射加工表面残余应力及摩擦特性

针对磨削后工件表面出现缺陷问题,提出砂轮约束磨粒喷射光整加工方法(AJF).试验在M7120平面磨床上完成,加工试样为Sa=0.6μm左右的45钢.工件表面残余应力用TW3040-60 X射线衍射仪测量;利用MG-2000型销盘式摩擦磨损试验机研究表面形貌对摩擦系数和磨损性能的影响.试验结果表明:随着加工时间的增加,磨削表面的残余拉应力逐渐变成压应力,加工时间对残余应力有显著影响.Sa值由0.626μm下降到0.2μm左右.光整加工后表面摩擦系数和磨损量与磨削加工表面相比明显降低,表面硬度随加工时间的延长逐渐提高,这与工件表面残余应力的变化一致.     

微旋转结构法测量Al薄膜的残余应力

薄膜的残余应力是影响MEMS器件工作可靠性和稳定性的重要因素,微旋转结构法能够简单有效地测量薄膜的残余应力.文中采用MEMS工艺制作Al薄膜微旋转结构,根据微旋转结构法对m薄膜的残余应力进行了测量和计算.实验结果表明,溅射Al膜的残余应力为张应力,大小在80～110 GPa之间.对Al薄膜悬梁进行静电驱动,其驱动电压为31 ～34 V,与根据Al膜残余应力的测量值所计算出的驱动电压基本吻合.