制造环境中残余应力的测量及焊接件的疲劳分析技术

1、概述

残余应力（RS）可以显著地影响材料和结构部件的工程性能，特别是疲劳寿命、变形、尺寸稳定性和耐腐蚀性。RS在焊接件的疲劳中起着非常重要的作用。RS对对接焊缝和角焊缝多周疲劳寿命的影响可与应力集中的影响进行比较。

超声波无损检测方法在RS测量中的应用表明，在许多情况下，该技术是非常有效的，可以在实验室条件下和现场实际结构中测量焊接元件中的残余应力，以便进行进一步的疲劳分析。

无损超声法允许测量两种情况下的RS：

a) 厚度平均值

b) 表层/次表层。

紧凑型设备 可测量厚度为2-200 mm的板中的平均厚度RS以及材料表面/亚表面层中的RS。

研究了矿用汽车轴箱焊接件焊接后及消除应力后在制造环境中的遥感测量结果。这些结果可用于轴箱焊接件经焊后热处理和超声波冲击强化后的疲劳分析。

2、简介

在许多情况下，残余应力是决定零件和结构件工程性能的主要因素之一。这一因素对焊接件的疲劳起着重要作用。该系统的研究表明，焊接残余应力会导致焊接构件疲劳强度的急剧降低。在多周疲劳（N>105次加载循环）中，RS的影响可与应力集中的影响进行比较。更重要的是，在消除有害的拉伸应力和在焊趾区引入有益的压缩应力的情况下，应力对焊接元件疲劳寿命有影响。因此，RS分析是焊接构件和结构设计以及在实际使用条件下可靠性评估的重要阶段。

超声无损方法在残余应力测量中的应用表明，在许多情况下，该技术非常有效，可以在实验室条件下和现场实际结构中测量各种材料的残余应力。

3、残余应力测量

在疲劳试验用标准焊接试样、大型焊接板和实际结构中进行了焊接电阻的测量。利用图1所示的UltraMARS系统进行了实验室和现场条件下的遥感测量。

在现场条件下，在许多焊接结构中测量了RS，包括轴箱及许多从疲劳角度来看至关重要的焊接元件。

本设备的主要目的是：确定焊后热处理对减轻轴箱焊接件中RS的有效性，并分析焊后热处理对所考虑焊接件疲劳性能的影响。

图1疲劳试验用焊接试件残余应力的超声测量

选择轴箱焊缝附近的三个区域A、B和C（图2）进行RS测量和进一步的疲劳分析。在热处理前后对44个点进行了两次RS测量，使RS测量总数达到88。

图2轴箱残余应力的测量、标记

标记（红色）显示热处理前后用于残余应力测量的焊接件附近的A、B和C区，应注意的是，UltraMARS技术基于超声波速度的接触测量，需要在测量前进行一定的表面处理。表面处理通常采用砂纸。通过手动和/或使用电气设备来完成的。A区砂纸表面处理工艺。

见图3。表面/准备/清洗两次：热处理前后的RS测量。

 图3 超声测量残余应力的表面处理工艺

   三个区域的RS测量结果表明，焊后热处理能显著缓解焊接引起的残余应力。图5显示了焊后热处理前后轴箱C区的RS测量结果。在图5中，“距离”是指焊趾和测量点中心之间的距离，σx和σy-平行和垂直于焊缝的残余应力分量。焊后热处理前，在距离焊趾10 mm处测得的最大抗拉强度RS为165.95 MPa。应注意的是，在焊趾处和焊接区域，RS可以达到接

近材料屈服强度的水平。焊后热处理后测得的最大抗拉强度RS为40-60MPa。

4、疲劳分析

计算分析了焊后热处理和超声波冲击处理（UIT）作用下有益的RS再分布对轴箱焊接件疲劳性能的影响。下面提供了使用基于原始预测模型的原始软件RESIsT（残余应力和改进处理）进行此类计算的示例。

根据焊后热处理前轴箱焊接件中RS分布的特点和以往焊后试样中RS测量的经验及焊趾和焊后试样的抗拉RS水平进行疲劳分析是合理的焊缝等于所考虑材料屈服强度的10%和20%。计算时，应考虑焊趾处的以下RS水平：

a） 在焊接状态下：材料屈服强度的0.8，

b） 热处理后：材料屈服强度的0.1和0.2

c） UIT后：材料屈服强度的负0.8。

计算时考虑了表1中所示的疲劳等级（FAT）100焊接元件。

考虑的材料是ASTM A710钢，屈服强度-586 MPa，抗拉强度-655 MPa。

图6给出了在焊后热处理和UIT作用下有益RS再分布如何影响轴箱疲劳等

级（FAT）100焊接件疲劳性能的计算结果。

红线---焊态；

灰线和蓝线---热处理后，RS水平等于材料屈服强度的0.1和0.2；

黑线---RS水平为零

绿线---超声波喷丸后情况。

计算结果表明，对于所考虑的材料，RS处理的有益再分布将焊接横向非承载附件在200万次循环时的极限应力范围从焊接状态下的100 MPa增

加至：

a） 当RS降至117.2 MPa或材料屈服强度的0.2时，为144.7 MPa，

b） 157.9 MPa，当RS降至58.6 MPa或材料屈服强度的0.1时，

c） 173.8 MPa，当RS等于0和

d） 当在焊趾区产生等于材料屈服强度0.8的压缩RS时，UIT/UP后为254.0 MPa。

从图6可以看出，焊后热处理的正效应随着外加载荷/应力的增加而减小。当外加应力水平等于所考虑材料屈服强度的50%或更高时，焊后热处理对所考虑焊接元件的疲劳寿命影响很小或没有影响。同时，在指定的外加应力水平下，UIT使所考虑的焊接元件的疲劳寿命提高了5倍。

5、结轮

1） 近年在改进传统技术和开发新的残余应力测量方法方面取得了一定的进展。所开发的先进超声检测方法，基于它的便携式仪器和配套软件，可用于实验室样品和实际零件及结构件残余应力的无损检测。

2）采用超声波法测定了轴箱焊接件热处理前后的残余应力。本设备的 主要目的是确定热处理的有效性，以消除选定焊接元件中的残余应力，并分析残余应力的有益重新分布对所考虑的焊接元件疲劳性能的影响。在热处理前后对44个点进行了RS测量，使RS测量总数达到88。

3）三个区域的RS测量结果表明：热处理可显著缓解焊接引起的残余应力。在距离焊趾10mm处，热处理前测得的最大抗拉强度为165.95mpa。热处理后测得的最大抗拉强度为45mpa。

4）随着载荷/应力的增加，热处理对疲劳改善的积极作用减弱。在施加应力的水平上等于约为所考虑材料屈服强度的50%热处理对所考虑焊接元件的疲劳寿命影响很小/没有影响。同时，超声波冲击处理喷丸可显著提高焊接件在指定和更高应力水平下的疲劳寿命。

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