焊接殘余應(yīng)力的控制研究文獻(xiàn)綜述1焊接殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀人們?cè)谝婚_始關(guān)注焊接殘余應(yīng)力是在20世紀(jì)30年代，最早的描述焊接殘余應(yīng)力方法是試驗(yàn)測(cè)試法。隨著科技水平的進(jìn)步，焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試方法也在朝著更加高效、快捷、無(wú)損的方向發(fā)展，直至今日，已經(jīng)有十幾種方法被應(yīng)用到工程實(shí)際中，這些方法一般從是否破壞焊接構(gòu)件的角度出發(fā)被分為無(wú)損測(cè)試和有損測(cè)試兩大類，目前應(yīng)用較多的有損測(cè)試方法是盲孔法，無(wú)損測(cè)試方法是超聲無(wú)損檢測(cè)和X射線法。在應(yīng)力測(cè)試結(jié)束后需要考慮殘余應(yīng)力的消除問(wèn)題，近些年應(yīng)用廣泛的激光噴丸法、超聲沖擊法正在快速發(fā)展，傳統(tǒng)的重錘沖擊、退火等消除方法也愈加成熟，被廣泛應(yīng)用于大型焊接構(gòu)件上。國(guó)外部分學(xué)者對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試和消除技術(shù)一直進(jìn)行著研究。2009年，Wagner等人發(fā)現(xiàn)英國(guó)材料技術(shù)專家TWI正在開發(fā)一種新的殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)—DIC技術(shù)，可以更容易、更準(zhǔn)確地計(jì)算焊接部件的結(jié)構(gòu)完整性。在一個(gè)典型的DIC過(guò)程中，一個(gè)高分辨率的相機(jī)捕捉一個(gè)樣品在鉆孔前后的斑點(diǎn)圖像。將圖像加載到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)計(jì)算圖像之間的差值來(lái)測(cè)量圖像中散斑的位移，將這些信息輸入到分析或有限元模型中時(shí)，就可以計(jì)算殘余應(yīng)力。HongweiHu利用非線性超聲表面波對(duì)3塊7075鋁合金試件進(jìn)行了不同殘余應(yīng)力下的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果吻合較好。結(jié)果表明，非線性超聲表面波法在殘余應(yīng)力分析中具有很大的潛力。對(duì)于殘余應(yīng)力消除技術(shù)，ShigeruAoki提出了一種新的降低焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，他用小型振動(dòng)篩進(jìn)行的消除試驗(yàn)，微珠附近的拉伸殘余應(yīng)力顯著降低，他還通過(guò)一個(gè)具有非線性彈簧的質(zhì)量模型的響應(yīng)分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。Gao表示超聲沖擊處理（UIT）是一種通過(guò)改變焊縫幾何形狀和殘余應(yīng)力狀態(tài)來(lái)提高焊接接頭疲勞壽命的較新技術(shù)他研究了六道次焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)型鋼在超聲沖擊下的應(yīng)力松弛。用同步輻射X射線衍射法測(cè)量了兩個(gè)正交方向的應(yīng)力。結(jié)果表明，僅對(duì)焊接件施加超聲波能使殘余應(yīng)力分布更加均勻，而機(jī)械沖擊結(jié)合超聲波是消除殘余應(yīng)力的有效方法。S.I.Minin提到奧布寧斯克核電工程研究所的專家開發(fā)了一種在焊接過(guò)程中進(jìn)行超聲波處理的熱焊接技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是通過(guò)降低殘余應(yīng)力、晶粒尺寸和焊接接頭脫氣從而使金屬結(jié)構(gòu)變得細(xì)粒度和均勻，熱影響區(qū)的內(nèi)應(yīng)力被排除，殘余應(yīng)力被消除。從而顯著提高焊接接頭的總體質(zhì)量。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)試和消除技術(shù)展開了研究。王秋成考慮到現(xiàn)在的眾多測(cè)試方法對(duì)于焊接構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的測(cè)試都存在一定局限性，他首先提出了裂紋柔度法的殘余應(yīng)力測(cè)試方法，該方法基于線彈性斷裂力學(xué)原理，將一條深度逐漸增加的裂紋引入焊接構(gòu)件,以零件表面的應(yīng)變釋放量為測(cè)試目標(biāo)，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果證明該方法測(cè)試精度和準(zhǔn)確度都優(yōu)于傳統(tǒng)方法。王慶明對(duì)常用的殘余應(yīng)力測(cè)試方法現(xiàn)狀及發(fā)展前景進(jìn)行了分析對(duì)比，指出了各種方法的使用場(chǎng)景，使用成本，使用便利性以及對(duì)使用環(huán)境的要求，特別指出壓痕法測(cè)試殘余應(yīng)力的方法應(yīng)用前景較好，值得進(jìn)行更多的研究。針對(duì)殘余應(yīng)力消除技術(shù)，王者昌通俗的介紹了常見的殘余應(yīng)力消除方法原理。他指出對(duì)于壓縮應(yīng)力，其消除原理是利用拉伸應(yīng)變來(lái)進(jìn)行焊接接頭壓縮應(yīng)變的平衡；然而對(duì)于拉伸應(yīng)力，其消除原理于壓縮應(yīng)力又有所不同，拉伸應(yīng)力的消除是利拉伸用塑性應(yīng)變減少甚至抵消彈性應(yīng)變。黎江勇專門研究了機(jī)械應(yīng)力消除法對(duì)焊接殘余應(yīng)力消除的適用性，并且根據(jù)應(yīng)力消除效果提出了針對(duì)焊接工藝優(yōu)化的一些簡(jiǎn)單措施。張偉正等利用數(shù)值模擬的方法分別對(duì)TIG焊、MIG焊和激光焊接進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了不同焊接工藝下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布情況。之后他引入了殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念并利用積分法計(jì)算出了殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子的分布，結(jié)果表明該殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子的分布與殘余應(yīng)力分布基本一致，在考慮殘余應(yīng)力的情況下疲勞壽命明顯降低。2有限元分析的研究現(xiàn)狀20世紀(jì)，奧削爾勃洛姆研究了板件邊緣部分在焊接時(shí)生成的瞬時(shí)熱應(yīng)力，對(duì)一維焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善，但是仍然不具有普適性。1964年，Tall使用程序語(yǔ)言對(duì)熱應(yīng)力分析的求解過(guò)程進(jìn)行編寫，并數(shù)值模擬了一維焊接殘余應(yīng)力，拓寬了焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變的研究領(lǐng)域，使其不再僅限于試驗(yàn)法。70年代后，日本的上田幸雄等人提出了二維和三維焊接熱-彈-塑性有限元單元法分析理論，并用此理論分析焊接問(wèn)題，得到的分析結(jié)果與實(shí)際情況比較符合，這一進(jìn)展為分析多維模型動(dòng)態(tài)焊接的殘余應(yīng)力和變形提供了新的途徑，并提出了固有應(yīng)變理論，用于分析和預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力。1987年，我國(guó)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的研究逐漸進(jìn)入正軌，唐慕堯?qū)蚊婧附K端裂紋進(jìn)行了仿真模擬，并與滬東造船廠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，研究分析了裂紋的產(chǎn)生和預(yù)防機(jī)制，獲得了較大的成果，并闡述了如何使用數(shù)值分析法研究焊接殘余應(yīng)力，證明了基于熱-彈-塑性析理論對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析是可行的。在90年代，上海交通大學(xué)通過(guò)他們自主研發(fā)的焊接有限元程序?qū)Ρ“濉⒑癜搴凸艿冉Y(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，后來(lái)又將相變和高溫蠕變等因素考慮在內(nèi)，結(jié)果表明，該有限元程序是可靠的。之后，上海交大與大阪大學(xué)合作，共同開發(fā)了三維焊接分析的程序，提出了多種改善數(shù)值模擬精確度和收斂性的途徑，為預(yù)測(cè)實(shí)際中一些構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力做出了貢獻(xiàn)。Sattari-Fa等人在管道中采用V型接頭在九種不同的焊接順序下進(jìn)行單道TIG焊接，結(jié)果表明調(diào)整焊接順序是可以大幅度降低焊接變形；Fu等人基于不同焊接路徑的條件下，研究了多邊形管板幾何構(gòu)件焊縫及其附近區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，結(jié)果表明：優(yōu)化焊接路徑對(duì)管板結(jié)構(gòu)焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力大小及分布有顯著影響。近年來(lái)，鹿安理、蔡志鵬等人在深入研究了構(gòu)件在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變及其控制，并將獲得的研究成果與實(shí)際工程進(jìn)行結(jié)合，為工程應(yīng)用提供了有利條件。朱援祥、王勤等人基于ANSYS平臺(tái)使用APDL語(yǔ)言編寫了焊接熱源子程序，對(duì)焊接過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)分布情況進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本吻合。鄢東洋、史清宇等人為了使有限元分析模型的建立更精準(zhǔn)，在數(shù)值分析攪拌摩擦?xí)r，對(duì)于材料參數(shù)的選取、模型約束條件的設(shè)置以及熱生成的過(guò)程均進(jìn)行了全面考慮，并考慮了材料力學(xué)性能與溫度之間的非線性關(guān)系，最終得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致的應(yīng)力應(yīng)變有限元分析結(jié)果。鄧德安、周一俊等人利用ABAQUS軟件，結(jié)合焊接熱源、材料與溫度間的非線性和幾何模型的非線性，開發(fā)了熱-彈-塑性有限元方法，并通過(guò)此方法仿真分析薄板焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變。逯世杰等人對(duì)Q390鋼T型接頭的焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)使用ABAQUS、MARC和SYSWELD大型軟件進(jìn)行了數(shù)值仿真，對(duì)比分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)ABAQUS對(duì)焊接殘余應(yīng)力有較高的預(yù)測(cè)精度。劉國(guó)寧等人對(duì)采用了T型接頭結(jié)構(gòu)件，研究了結(jié)構(gòu)件在不同焊接順序下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)均會(huì)受到焊接順序的影響；趙小康等人建立T型焊接接頭有限元模型，分析不同焊接順序?qū)附咏宇^溫度場(chǎng)、變形及殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)采用合理的焊接順序?qū)刂茪堄鄳?yīng)力值有利。易杰等人基于ABAQUS有限元軟件模擬在不同焊接順序6061-T6鋁合金保險(xiǎn)杠的焊接過(guò)程，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：反向?qū)ΨQ的焊接順序可以降低殘余應(yīng)力；黎超文等人以不同焊接順序作為初始條件，數(shù)值模擬了T形接頭結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力和變形，結(jié)果表明：對(duì)兩側(cè)焊縫按順序依次進(jìn)行焊接，這種情況下焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和角變形最小。綜上所述，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試和消除、焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭性能影響等諸多問(wèn)題都開展了廣泛而深入的研究，開創(chuàng)了一系列新的研究方法，闡述了一些新的研究理論，取得了非常豐碩的研究成果，針對(duì)不同的材料也進(jìn)行了對(duì)比研究，形成了一套較合理的焊接有限元模擬和殘余應(yīng)力分析研究的理論和研究方法。但是針對(duì)于鋁合金的焊接模擬、殘余應(yīng)力測(cè)試及消除、殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭性能的影響這樣單一鋁合金材料全流程的詳細(xì)研究還幾乎沒有。因此，在國(guó)內(nèi)開展考慮焊接殘余應(yīng)力的鋁合金焊接接頭性能研究是有意義的。隨著與焊接力學(xué)行為相關(guān)理論知識(shí)的不斷累積，有限元仿真技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，數(shù)值模擬方法在焊接殘余應(yīng)力研究方面取得了很多不錯(cuò)的成績(jī)，焊接過(guò)程的仿真與實(shí)際情況越來(lái)越符合，得到的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)也吻合良好，因此采用熱-彈-塑性有限元法數(shù)值分析焊接過(guò)程是大勢(shì)所趨，也是非常高效的工具。參考文獻(xiàn)Wagner,Siobhan.DESIGNENGINEERING-RESIDUALSTRESSTESTING:Imageconscious[J].TheEngineer,2009.HongweiHu,ZhichengZou,YoubaoJiang,XianghongWang,KefuYi.Finiteelementsimulationandexperimentalstudyofresidualstresstestingusingnonlinearultrasonicsurfacewavetechnique[J].AppliedAcoustics,2019,154.ShigeruAoki,TadashiNishimura,TetsumaroHiroi.Reductionofresidualstressforweldedjointusingvibrationalload[J].SteelandCompositeStructures,2004,4(5).Gao,Dutta,Huizenga,Amirthalingam,Hermans,Buslaps,Richardson.Stressrelaxationduetoultrasonicimpacttreatmentonmulti-passwelds[J].ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,2014,19(6).S.I.MininandA.I.TrofimovandM.A.Trofimov.TheTechnologyOfThermalWeldingOfTheCirculationPipingOfNppsContainingTheInfluenceOfUltrasound[J].NuclearEnergyandTechnology,2017.王秋成,柯映林,邢鴻燕.板類構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005(03):67-70.王慶明,孫淵.殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的進(jìn)展與動(dòng)向[J].機(jī)電工程,2011,28(01):11-15+41.王者昌.關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討[J].焊接學(xué)報(bào),2000(02):55-58+2-1.黎江勇.機(jī)械應(yīng)力消除法對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響[J].山東工業(yè)技術(shù),2016(11):50.張正偉,張昭,張洪武.焊接殘余應(yīng)力對(duì)2024鋁合金薄板疲勞壽命的影響[J].焊接學(xué)報(bào),2014,35(10):29-32+36+114.L.Tall.ResidualStressinWeldingPlates-ATheoretialStudy[J].WeldingJournal,1964,43(1):10-23.Y.UedaandT.Yamakawa.Applicationsofcomputerandnumericalanalysistechniquesinweldingresearch[J].Materials&Design,1985,6(3):103-111.唐慕堯.單面焊時(shí)終端裂紋的研究[J].焊接學(xué)報(bào),1987,7(3):123-132.汪建華,戚新海,鐘小敏.考慮相變的焊接動(dòng)態(tài)和參與應(yīng)力的研究[C].第六屆全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,1990.汪建華,戚新海,鐘小敏等.焊接結(jié)構(gòu)三維熱變形的有限元模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,28(6):59-65.[16]WangJ.ImprovementinNumericalAccuracyStabilityof3-DFEMAnalysisinWelding[J].WeldingJournal,1996,75(4):129-134.蔡志鵬,鹿安理,趙海燕.串熱源模型及1200t橋式起重機(jī)主梁腹板裝焊過(guò)程的數(shù)值模擬[J].中國(guó)機(jī)械工程,2002,13(9):802-805.朱援祥,王勤,趙學(xué)榮等.基于ANSYS平臺(tái)的焊接殘余應(yīng)力模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004(2):69-72.鄢東洋,史清宇,吳愛萍等.攪拌摩擦焊接的熱力耦合分析模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(16):106-112.周一俊,鄧德安,馮可等.低碳鋼薄板單道堆焊焊接變形的數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào),2013,34(12):101-104.逯世杰,鄭喬,張超華等.不同有限元軟件對(duì)Q390鋼厚板T型接頭焊接殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)精度與計(jì)算效率的比較[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2019,55(6):25-36.Sattari-FarI,etal.Influenceofweldingsequenceonweldingdistortionsinpipes[J].PressureVesselsandPipingSocietyofChina,2019,55(6):12-22.FuDing