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第34卷第20期 Vol. 34No. 20山西建筑 2008年7月J ul. 2008SHANXI ARCHITECTURE
・施工技术・
文章编号:100926825(2008) 2020134202
焊接残余应力的产生及其消除方法
罗利伟 付小超
摘 要:在分析残余应力产生原理的基础上, 介绍了焊接残余应力的概念, 并探讨了焊接残余应力产生的原因及其影响
因素, 提出了消除焊接残余应力的方法, 指出研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验具有重要意义。关键词:焊接, 残余应力, 物理特性中图分类号:TU758. 11文献标识码:A
焊接作为钢结构中的重要工艺, 是一个牵涉到电弧物理、传
热、冶金和力学的复杂过程, 直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接结构广泛用于航天、桥梁、压力容器等工业中, 焊接过程中的加热和冷却循环不可避免地导致残余应力的产生[1]。残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能, 同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响, 对结构的强度造成很大危害,
接应力。这是进行不均匀加热和冷却的结果, 它取决于加热和冷却时的温度梯度, 是形成焊接残余的主要原因。2) 间接应力。这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时, 都会使之具有此类残余应力, , 往往也具有附[2]
) , 也就是相变因此, 。它虽然因含碳量和材料中其他意义。成分不同而异, 但一般情况下, 这种影响必须要加以考虑的是发
生相变的温度和平均冷却速度。1 残余应力产生原理
焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料
残余应力是在无外力作用时, 以平衡状态存在于物体内部的
热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例, 影响这一过程的
应力。如下面这个例子, 如图1所示, 设有3个弹簧, 图1a ) 是自
主要因素有以下两个方面:
由状态, 图1b ) 是用刚性板将弹簧的上下两端连接起来的状态, 此
1) 材料物理特性和力学性能的影响。一些常用材料的热物时并没有从外部施加作用力, 而各弹簧之间却产生了相互作用
理特性在给定的温度T 区间的平均值见表1。热导率λ, 比热容力。如果各弹簧的长度分别为l 1, l 2, l 3, 弹簧系数分别为c 1, c 2,
ρ, 以及热c , 密度ρ或由这几个参数联合表示的热扩散率α=λ/c
c 3, 刚性板连接后的长度为l , 则各弹簧上产生的力p 1, p 2, p 2分
焓S 是影响焊接温度场分布的主要物理参数。线膨胀系数a 随
别为:
温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。
p 1=c 1(l -l 1) ; p 2=c 2(l -l 2) ; p 3=c 3(l -l 3) 。其中, p 1, p 3为正值是拉应力; p 2为负值是压缩力; p 1, p 2, p 3在各弹簧中产生的应力为残余应力。由p 1+p 2+p 3=0, 说明残余应力是以平衡状态存在于物体内部
。
表1 常用材料的热物理性能参数
λ—
0. 038～0. 0420. 025～0. 033
0. 270. 16
ρc -3—4. 9～5. 24. 4～4. 82. 72. 8
材料低碳钢低合金钢奥氏体铬镍钢铝合金钛合金
a /×10-6
α—
7. 5～9. 06. 3～7. 01006
T
12～1616. 5～1716～2023～278. 5—500～[1**********]0
2) 不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布, 因而也改变着焊接残余应力的分布规律。
4 焊接残余应力的消除方法
2 焊接残余应力的概念
焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力, 按作用时间
可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中, 某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力, 它随时间而变化; 焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力[3,5]。
[5]
由于构件中残余应力的不良影响, 科技人员针对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作:1) 通过改善加工工艺参数, 尽量减少残余应力;2) 提出一些消除残余应力的措施。
4. 1 热处理法
用热作用消除残余应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。热处理法是将焊接构件整体或局部以一定的加热速度加剧到A 1相变点以下适当温度, 数小时或数日的长时间保温, 然后再进行缓冷的过程。这种方法不仅能消除焊接残余应力, 而且还能使大多数钢的焊接区材质得到改善。
3 焊接残余应力产生的原因及影响因素
焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分, 有如下3种情况:1) 直
收稿日期:2008203212
作者简介:罗利伟(19862) , 男, 南昌大学建筑工程学院硕士研究生, 江西南昌 330031
付小超(19832) , 男, 南昌大学建筑工程学院结构工程专业硕士研究生, 江西南昌 330031
第34卷第20期 Vol. 34No. 20山西建筑
2008年7月J ul. 2008SHANXI ARCHITECTURE 文章编号:100926825(2008) 2020135202
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井点降水在公路工程中的应用
杜建科
摘 要:阐述了井点降水的应用范围, 分析了井点降水的原理和作用, 通过具体工程实例进行了说明, 提出了井点使用的注意事项, 指出在高水位的地下工程中井点降水是一种可靠、安全、便捷的施工措施, 应广泛推广应用。关键词:公路, 地下工程, 轻型井点, 降水中图分类号:TU463文献标识码:A
0 引言
目前公路建设中许多地下工程如桥梁基础、管线工程等都是
深基坑工程, 施工现场应对地下水的措施一般是采用集水井集水明排来降低地下水, 在施工中因流砂、管涌、坑底失稳、坑壁坍塌等造成工程费用增加、工期延误、工程质量难以保证甚至造成工程事故。经过和硕—库尔勒项目的实际应用, 发现采用井点降水可以避免以上弊端, 下面介绍一下井点降水的工作原理及应用。
井点类型一级轻型井点二级轻型井点三级轻型井点电渗井点24型5表1 各种井点的适用范围
土层渗透系数m/d 0. 1～80
降低地下水位深度
m
3～66～99～12～63～5514～205～15>15
适用土名称轻亚砂土、细砂、中砂和粗砂黏土、亚黏土、粗砂、砾石、卵石软亚黏土、细砂、中砂和粗砂中砂、粗砂、砾石
1 井点降水的应用范围
井点降水有轻型井点、泵等方法, 4. 2 拉伸法
这是在构件的断面上, 仅仅施加均匀的拉应力使之产生塑性变形, 它的方向与焊接时压缩塑性变形相反, 并由此而使应力得到松弛的方法。
1) 伴随焊接过程的进行, 会在焊接构件的内部产生自相平衡
4. 3 振动法
这种方法是把小构件安装在适当的台上并给予振动, 对大型构件可直接将振动设备夹固在适当支撑的构件上进行振动, 振动的大小需根据焊件的重量和几何形状等因数来确定。根据有关资料, 振动应力在20MPa ～35MPa 的范围内振动效果最佳。这种处理方法的优点在于设备投资不到热处理的10%, 生产费用为热处理的10%左右, 节约能源98%以上。
4. 4 爆炸法
爆炸处理消除焊接残余应力是近30年来出现的一种新的消除残余应力工艺。我国从20世纪80年代初进行此项技术的研究和应用推广工作, 已经取得了较好的社会经济效果。这一方法是用适当的炸药以适当的方式在焊接构件上的焊接残余应力区内引爆, 利用爆炸冲击波的能量使残余应力区产生塑性变形, 从而达到减少或消除残余应力的目的。研究证明, 爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力, 如果需要还可以在焊接区造成残余压应力。
5 结语
的内应力。根据作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
2) 焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。按其发生源来区分可分为直接应力、间接应力、组织应力。焊接残余应力一般主要是由直接应力造成的。3) 以熔焊方法焊接的构件, 其焊接残余应力的大小和分布主要与材料物理特性和力学性能、不同类型焊接热源等有关。4) 焊接残余应力在焊接结构中普遍存在, 只要采用适当的处理方法是可以减小或消除的。参考文献:[1] 程书力. 基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析[D ].
南昌:南昌大学建筑工程学院硕士学位论文,2007. [2] 陈会丽, 钟 毅, 王华昆, 等. 残余应力测试方法的研究进展
[J].云南冶金,2005,34(3) :1232124. [3] 佘昌莲. 焊接结构的残余应力研究[D].武汉:武汉理工大学
交通学院硕士学位论文,2006. [4] 翟晓鹏, 张系斌, 刘泰凤. T 型钢节点焊接残余应力及变形
研究[J].山西建筑,2007,33(8) :57258. [5] 宋天民. 焊接残余应力的产生与消除[M ].北京:中国石化
出版社,2004. [6] 姜光伟, 李燕强. 焊接应力的形成与消除[J].中国科技信
息,2005,25(16) :1232124.
G eneration and erase method of residual stress by w elding
L U O Li 2w ei FU Xiao 2chao
Abstract :Based on the analysis the generating principle of residual stress , the concept of residual stress by welding was introduced , and its generating reasons and influencing factors were discussed. The erase method of residual stress was introduced , it pointed that research and measure component residual stress had significance to manufacture and scientific test. K ey w ords :welding , residual stress , physical characteristic
收稿日期:2008203216
作者简介:杜建科(19772) 男, 工程师, 新疆公路规划勘察设计研究院, 新疆乌鲁木齐 830006
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第34卷第20期 Vol. 34No. 20山西建筑 2008年7月J ul. 2008SHANXI ARCHITECTURE
・施工技术・
文章编号:100926825(2008) 2020134202
焊接残余应力的产生及其消除方法
罗利伟 付小超
摘 要:在分析残余应力产生原理的基础上, 介绍了焊接残余应力的概念, 并探讨了焊接残余应力产生的原因及其影响
因素, 提出了消除焊接残余应力的方法, 指出研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验具有重要意义。关键词:焊接, 残余应力, 物理特性中图分类号:TU758. 11文献标识码:A
焊接作为钢结构中的重要工艺, 是一个牵涉到电弧物理、传
热、冶金和力学的复杂过程, 直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接结构广泛用于航天、桥梁、压力容器等工业中, 焊接过程中的加热和冷却循环不可避免地导致残余应力的产生[1]。残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能, 同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响, 对结构的强度造成很大危害,
接应力。这是进行不均匀加热和冷却的结果, 它取决于加热和冷却时的温度梯度, 是形成焊接残余的主要原因。2) 间接应力。这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时, 都会使之具有此类残余应力, , 往往也具有附[2]
) , 也就是相变因此, 。它虽然因含碳量和材料中其他意义。成分不同而异, 但一般情况下, 这种影响必须要加以考虑的是发
生相变的温度和平均冷却速度。1 残余应力产生原理
焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料
残余应力是在无外力作用时, 以平衡状态存在于物体内部的
热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例, 影响这一过程的
应力。如下面这个例子, 如图1所示, 设有3个弹簧, 图1a ) 是自
主要因素有以下两个方面:
由状态, 图1b ) 是用刚性板将弹簧的上下两端连接起来的状态, 此
1) 材料物理特性和力学性能的影响。一些常用材料的热物时并没有从外部施加作用力, 而各弹簧之间却产生了相互作用
理特性在给定的温度T 区间的平均值见表1。热导率λ, 比热容力。如果各弹簧的长度分别为l 1, l 2, l 3, 弹簧系数分别为c 1, c 2,
ρ, 以及热c , 密度ρ或由这几个参数联合表示的热扩散率α=λ/c
c 3, 刚性板连接后的长度为l , 则各弹簧上产生的力p 1, p 2, p 2分
焓S 是影响焊接温度场分布的主要物理参数。线膨胀系数a 随
别为:
温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。
p 1=c 1(l -l 1) ; p 2=c 2(l -l 2) ; p 3=c 3(l -l 3) 。其中, p 1, p 3为正值是拉应力; p 2为负值是压缩力; p 1, p 2, p 3在各弹簧中产生的应力为残余应力。由p 1+p 2+p 3=0, 说明残余应力是以平衡状态存在于物体内部
。
表1 常用材料的热物理性能参数
λ—
0. 038～0. 0420. 025～0. 033
0. 270. 16
ρc -3—4. 9～5. 24. 4～4. 82. 72. 8
材料低碳钢低合金钢奥氏体铬镍钢铝合金钛合金
a /×10-6
α—
7. 5～9. 06. 3～7. 01006
T
12～1616. 5～1716～2023～278. 5—500～[1**********]0
2) 不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布, 因而也改变着焊接残余应力的分布规律。
4 焊接残余应力的消除方法
2 焊接残余应力的概念
焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力, 按作用时间
可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中, 某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力, 它随时间而变化; 焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力[3,5]。
[5]
由于构件中残余应力的不良影响, 科技人员针对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作:1) 通过改善加工工艺参数, 尽量减少残余应力;2) 提出一些消除残余应力的措施。
4. 1 热处理法
用热作用消除残余应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。热处理法是将焊接构件整体或局部以一定的加热速度加剧到A 1相变点以下适当温度, 数小时或数日的长时间保温, 然后再进行缓冷的过程。这种方法不仅能消除焊接残余应力, 而且还能使大多数钢的焊接区材质得到改善。
3 焊接残余应力产生的原因及影响因素
焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分, 有如下3种情况:1) 直
收稿日期:2008203212
作者简介:罗利伟(19862) , 男, 南昌大学建筑工程学院硕士研究生, 江西南昌 330031
付小超(19832) , 男, 南昌大学建筑工程学院结构工程专业硕士研究生, 江西南昌 330031
第34卷第20期 Vol. 34No. 20山西建筑
2008年7月J ul. 2008SHANXI ARCHITECTURE 文章编号:100926825(2008) 2020135202
・135・
井点降水在公路工程中的应用
杜建科
摘 要:阐述了井点降水的应用范围, 分析了井点降水的原理和作用, 通过具体工程实例进行了说明, 提出了井点使用的注意事项, 指出在高水位的地下工程中井点降水是一种可靠、安全、便捷的施工措施, 应广泛推广应用。关键词:公路, 地下工程, 轻型井点, 降水中图分类号:TU463文献标识码:A
0 引言
目前公路建设中许多地下工程如桥梁基础、管线工程等都是
深基坑工程, 施工现场应对地下水的措施一般是采用集水井集水明排来降低地下水, 在施工中因流砂、管涌、坑底失稳、坑壁坍塌等造成工程费用增加、工期延误、工程质量难以保证甚至造成工程事故。经过和硕—库尔勒项目的实际应用, 发现采用井点降水可以避免以上弊端, 下面介绍一下井点降水的工作原理及应用。
井点类型一级轻型井点二级轻型井点三级轻型井点电渗井点24型5表1 各种井点的适用范围
土层渗透系数m/d 0. 1～80
降低地下水位深度
m
3～66～99～12～63～5514～205～15>15
适用土名称轻亚砂土、细砂、中砂和粗砂黏土、亚黏土、粗砂、砾石、卵石软亚黏土、细砂、中砂和粗砂中砂、粗砂、砾石
1 井点降水的应用范围
井点降水有轻型井点、泵等方法, 4. 2 拉伸法
这是在构件的断面上, 仅仅施加均匀的拉应力使之产生塑性变形, 它的方向与焊接时压缩塑性变形相反, 并由此而使应力得到松弛的方法。
1) 伴随焊接过程的进行, 会在焊接构件的内部产生自相平衡
4. 3 振动法
这种方法是把小构件安装在适当的台上并给予振动, 对大型构件可直接将振动设备夹固在适当支撑的构件上进行振动, 振动的大小需根据焊件的重量和几何形状等因数来确定。根据有关资料, 振动应力在20MPa ～35MPa 的范围内振动效果最佳。这种处理方法的优点在于设备投资不到热处理的10%, 生产费用为热处理的10%左右, 节约能源98%以上。
4. 4 爆炸法
爆炸处理消除焊接残余应力是近30年来出现的一种新的消除残余应力工艺。我国从20世纪80年代初进行此项技术的研究和应用推广工作, 已经取得了较好的社会经济效果。这一方法是用适当的炸药以适当的方式在焊接构件上的焊接残余应力区内引爆, 利用爆炸冲击波的能量使残余应力区产生塑性变形, 从而达到减少或消除残余应力的目的。研究证明, 爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力, 如果需要还可以在焊接区造成残余压应力。
5 结语
的内应力。根据作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
2) 焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。按其发生源来区分可分为直接应力、间接应力、组织应力。焊接残余应力一般主要是由直接应力造成的。3) 以熔焊方法焊接的构件, 其焊接残余应力的大小和分布主要与材料物理特性和力学性能、不同类型焊接热源等有关。4) 焊接残余应力在焊接结构中普遍存在, 只要采用适当的处理方法是可以减小或消除的。参考文献:[1] 程书力. 基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析[D ].
南昌:南昌大学建筑工程学院硕士学位论文,2007. [2] 陈会丽, 钟 毅, 王华昆, 等. 残余应力测试方法的研究进展
[J].云南冶金,2005,34(3) :1232124. [3] 佘昌莲. 焊接结构的残余应力研究[D].武汉:武汉理工大学
交通学院硕士学位论文,2006. [4] 翟晓鹏, 张系斌, 刘泰凤. T 型钢节点焊接残余应力及变形
研究[J].山西建筑,2007,33(8) :57258. [5] 宋天民. 焊接残余应力的产生与消除[M ].北京:中国石化
出版社,2004. [6] 姜光伟, 李燕强. 焊接应力的形成与消除[J].中国科技信
息,2005,25(16) :1232124.
G eneration and erase method of residual stress by w elding
L U O Li 2w ei FU Xiao 2chao
Abstract :Based on the analysis the generating principle of residual stress , the concept of residual stress by welding was introduced , and its generating reasons and influencing factors were discussed. The erase method of residual stress was introduced , it pointed that research and measure component residual stress had significance to manufacture and scientific test. K ey w ords :welding , residual stress , physical characteristic
收稿日期:2008203216
作者简介:杜建科(19772) 男, 工程师, 新疆公路规划勘察设计研究院, 新疆乌鲁木齐 830006