由于人們只注重現(xiàn)代工藝方法和新材料的開發(fā)研制，而忽略了機(jī)械加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的影響。實(shí)際上，在構(gòu)件的使用過(guò)程中，發(fā)生破壞事故時(shí)，除了材料本身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度外，還與殘余應(yīng)力的影響有密切關(guān)系。因此，研究分析材料加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、分布情況就很有必要了。本文主要對(duì)焊接毛胚沖壓成形過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試分析。
試驗(yàn)方法及條件
殘余應(yīng)力測(cè)試方法采用盲孔法，儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力鉆孔裝置組成。進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，確定相關(guān)系數(shù)。試驗(yàn)材料為耐候鋼09CuPCrNi和奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。試驗(yàn)條件：試驗(yàn)材料為冷軋板材，尺寸為200mm*50mm*3mm。接頭形式為對(duì)接，焊接規(guī)范模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝。其中耐候鋼采用手工電弧焊，焊條為J502NiCu，電流為110A，電壓為27-30V，焊速為50-60cm/min。不銹鋼采用MIG焊，焊條為E-0-19-10-15，電流為80-100A，電壓為24V，焊速為10-14cm/min。兩種被焊材料的焊接方向均為從一端向另一端不間斷焊接。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
平板對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試
每個(gè)測(cè)量點(diǎn)橫向距離為1mm，縱向距離為6mm。
選取幾個(gè)特殊的點(diǎn)：A為焊縫中心，拉應(yīng)力最大；B點(diǎn)靠近熔合線；C點(diǎn)處于過(guò)熱區(qū)；D點(diǎn)遠(yuǎn)離焊縫，屬母材區(qū)。
由表1可知，焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，由于1Cr18Ni9Ti在焊接過(guò)程中具有較大的壓縮塑性變形，因而拉伸應(yīng)力峰值較大，接近其屈服極限，并且殘余拉應(yīng)力區(qū)的寬度較大。表中σ1為縱向應(yīng)力，σ2為橫向應(yīng)力。
表1 對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力
材料 | A | B | C | D | ||||
σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | |
09CuPCrNi | 112.42 | 63.62 | 101.20 | 54.50 | -80.81 | 30.31 | -43.05 | 20.30 |
1Cr18Ni9Ti | 288.06 | 85.38 | 236.33 | 56.50 | 138.97 | 45.03 | -92.6 | 39.27 |
表2 彎曲件殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果
材料 | A | B | ||
σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | |
09CuPCrNi | 63.31 | 34.25 | -52.06 | -37.10 |
1Cr18Ni9Ti | 53.31 | 22.45 | -32.36 | -28.24 |
彎曲件殘余應(yīng)力測(cè)試
表2是彎曲件殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，值得注意的是，殘余壓應(yīng)力區(qū)厚度為δ/2-δ/3=δ/6，所以鉆孔時(shí)，鉆孔深度為δ/6mm（δ為板厚）。
A點(diǎn)是焊縫中心，B點(diǎn)是焊縫以外一點(diǎn)。σ1為切向應(yīng)力，σ2為寬度方向應(yīng)力。
母材彎曲件變形區(qū)切向殘余應(yīng)力為負(fù)，寬度方向殘余應(yīng)力為正，焊接未彎件切向殘余應(yīng)力為正，橫向殘余應(yīng)力為正（見(jiàn)表1中A、B點(diǎn)的應(yīng)力值）。從表2可看出，彎曲后A點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力為正，寬度方向殘余應(yīng)力為負(fù)，與母材相比有很大的變化，切向殘余應(yīng)力由原來(lái)的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，其原因就是彎曲前的焊接殘余應(yīng)力引起的，雖然彎曲時(shí)外表面拉伸變形釋放了一部分殘余應(yīng)力，但由于焊接殘余應(yīng)力較大，彎曲后仍是拉應(yīng)力。
拉伸件殘余應(yīng)力測(cè)試
A點(diǎn)為筒底中心，B點(diǎn)為底部與筒壁相切處，C點(diǎn)為圓筒件口部一點(diǎn)。環(huán)形焊縫的焊接件B點(diǎn)位于環(huán)形焊縫的中心。在筒壁上，σ1為周向切應(yīng)力，σ2為軸向應(yīng)力。
表3 09CuPCrNi拉伸件殘余應(yīng)力
試驗(yàn)種類 | A | B | C | |||
σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | |
母材 | -38.11 | -33.32 | 35.46 | 11.65 | 147.82 | -74.8 |
對(duì)接焊件 | 100.17 | 32.69 | 85.89 | 56.32 | 195.45 | 66.79 |
環(huán)形焊件 | -42.86 | -41.78 | 302.65 | 12.34 | 155.2 | -58.65 |
表4 1Cr18Ni9Ti拉伸件殘余應(yīng)力
試驗(yàn)種類 | A | B | C | |||
σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | σ1 | σ2 | |
母材 | -40.74 | -43.98 | 75.72 | 21.44 | 165.10 | -61.44 |
對(duì)接焊件 | 92.74 | 48.98 | 100.12 | 76.65 | 228.30 | 81.50 |
環(huán)形焊件 | -37.87 | -41.68 | 305.77 | 22.70 | 158.30 | -62.86 |
試驗(yàn)結(jié)果表明:在A點(diǎn)處，母材和環(huán)形焊縫拉深件殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，由于材料變形時(shí)為雙向拉伸，卸載后的兩向殘余應(yīng)力基本一樣，與B、C兩點(diǎn)比較，該點(diǎn)殘余應(yīng)力較小，帶縱向焊縫的試樣A點(diǎn)為殘余拉應(yīng)力，是焊縫原有的殘余應(yīng)力部分釋放后的結(jié)果。
由圖1、2可以看出，帶焊縫試樣的切向殘余應(yīng)力峰值較大，尤其是環(huán)形焊縫處，殘余拉應(yīng)力接近材料本身的屈服極限。在筒形件端口，切向拉應(yīng)力也較大。帶縱向焊縫的試樣，應(yīng)力值最大。焊縫處切向拉應(yīng)力明顯增大的原因是焊縫本身的殘余拉應(yīng)力和沖壓過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力拉應(yīng)力疊加的結(jié)果。
結(jié)論
焊接接頭本身的殘余應(yīng)力較大，沖壓成形后，殘余應(yīng)力的大小和性質(zhì)發(fā)生較大的變化。沖壓過(guò)程本身就是一個(gè)不均勻塑性變形過(guò)程，變形過(guò)程中不同部位材料受力狀態(tài)及變形效果均不同，焊縫受拉發(fā)生伸長(zhǎng)變形時(shí)殘余應(yīng)力下降，但焊縫發(fā)生壓縮變形時(shí)，殘余應(yīng)力最大值接近材料的屈服極限。如環(huán)形焊縫試件拉深后，切向應(yīng)力高達(dá)307MPa，在使用過(guò)程易發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋。
