1、冲击压力对 304 不锈钢复合板修补焊接残余应力的影响不锈钢复合板在化学工业中得到广泛应用，但往往在复合层中出现裂纹。补焊是修复破碎带的常用方法。但残余应力是不可避免的，这可能会导致进一步开裂。如何减少残余应力是保证结构完整性的关键。本文研究了一种通过水射流喷丸降低焊缝残余应力的方法（桩）304 不锈钢复合板。影响压力的影响进行了讨论。一个连续的耦合有限元方法的发展，模拟焊接残余应力，这是通过冲击压痕测量验证。然后，用户子程序开发模型的移动荷载产生的湿喷桩。结果表明，湿喷桩可以引入压应力对金属表面和焊接拉应力减小。在撞击中心的最大冲击压力（P0）的增加，残余应力大大降低，甚至变为压应力。存在一
2、个临界值 P0，这变化的拉应力为压应力。当 P0 增加 1.4 倍，304 不锈钢的屈服强度，在表面的初始拉伸应力已经减少到压应力。在这篇文章中的数字景区简介摘要 | 介绍 | 实验细节 | 有限元模型 | 结果和讨论 | 结论致谢参考| | 焊接残余应力一直是近年来研究的一个重要焦点，因为这些压力会有应力腐蚀开裂（SCC）影响较大，疲劳，蠕变等1-4。因此，对焊接结构的焊接残余应力降低或控制5-7的完整性是非常重要的。一种有效的方法是引入表面上的压缩应力，这增加了裂纹萌生，导致疲劳抗力增加 8 和耐腐蚀性 9 。喷丸和滚压10,11 14 是介绍在金属表面压应力的常用方法。近年来，一种新的方
3、法，高压水喷射 15 已开发，以产生压缩应力的表面上。它利用高速水射流冲击构件表面，通过力控处理 16 在表面产生压应力。与喷丸处理，它是相对容易控制，由于一个较小的数量的变量，如水射流压力，站立距离和喷丸时间。此外，它是一个环境友好的过程，因为它不会产生任何灰尘，它也不太昂贵的喷丸处理，从而在良好的应用前景。有一个预测的残余应力引起的水射流的方法是非常重要的，选择的工艺参数，最好的保证结构的完整性。实验方法如 X 射线衍射测量是测量表面的物理标本 17-19压力的好方法，但它始终是复杂和耗时的。潘伟迪和巴布 20 提出了估计水射流引起的残余应力分析的方法，但假设材料为弹性和塑性变形的能量损失
4、没有被占。基于实验数据，Rajesh 和巴布 21 提供了一个实证模型预测6063-T6 铝合金的残余应力，但射流压力、进给速度、站距在 175225 MPa 范围有限，20 40 毫米/分钟，5 10 毫米，分别在不同的范围内，和其他参数的影响，需要进行充分的调查。应力强化前后的变化仍然无法用现有的理论分析和实证模型进行了全面的描述。最近，有限元建模（有限元法）已被用来预测的残余应力引起的水喷射 22 。该等。 23 采用暂态、动态有限元模拟应力强化。韩等。 24 提出了一种联合有限元法和位错密度法预测水喷丸残余应力。daniewicz 和卡明斯 25 进行了残余应力的有限元分析的水射流诱导
5、，但水射流作为固定。望月 15 工作也假定负载施加静。为了得到更准确的结果，一个移动的压力分布应引入桩模型。此外，以前的工作主要集中在引入残余压应力对均质板地理。如何减少在实际焊接接头残余应力由桩未见报道。三百零四不锈钢复合板在化工行业中有着广泛的应用，因为它具有高强度和良好的耐腐蚀性。复合材料中裂纹的产生往往是裂纹的，而焊接修复是一种常用的方法来修复裂纹区。然而，本地修复将引入拉伸残余应力和负影响的耐腐蚀性。在我们以前的工作中，我们发现，焊接残余应力可减小桩 26 。但是如何确定合适的冲击压力来产生压应力还没有被讨论过。因此，本文对残余应力的降低冲击压力的影响，对湿喷桩的应用提供了一个参考。
6、实验细节摘要 | 介绍 | 实验细节 | 有限元模型 | 结果和讨论 | 结论致谢参考| | 样品制备。图 1（a） 显示的修复焊接样品示意图。样品是以 300 300 20 毫米尺寸的复合板。碱金属和复合金属 Q345R 和 304 不锈钢，其厚度分别为 17 毫米和 3 毫米，分别。复合板是由爆炸焊接制造的。堆焊金属上的缺陷是由金属保护焊补焊。修复长度为 150 毫米。修复深度为 4 毫米，这是 1 毫米以下的复合基底金属界面。焊缝的宽度是 4 毫米，和焊缝坡口角度为 60。图 2 显示 焊缝横截面结构。它有两焊层：过渡层和一层焊缝的填充金属和焊条 A302 焊接，分别。每个焊接层沉积由一
7、个单一的通。电极的直径为 3.2 毫米。焊接电流、电压和速度分别为 150 - 160、30 - 40 和 2 - 3 毫米/秒。层间温度控制在 100 C.焊接残余应力测量。作为焊接残余应力是由冲击压痕法 26 测量，如图 3 所示 。冲击压痕法引入了一个附加的应力场对初始应力场采用压痕载荷、放松的残余应力和产生的应变增量比样品没有任何残余应力。在测量之前，测量的表面与研磨磨研磨，然后用研磨布抛光。双轴应变计被沿主应力方向坚持：平行和垂直于焊缝，旨在测量的纵向和横向的残余弹性应变。压痕是在两计轴的交点了。被记录的应变输出和平均压痕直径。残余弹性应变与应变的变化和不同的压痕尺寸的残余弹性应变之
8、间的关系的计算，如在文献 27 。最后，残余应力可以计算出的应变变化的基础上钩的法律在 E 是弹性模量， 是泊松比，和 X 和 Y 是 残余弹性应变分量。有限元模型摘要 | 介绍 | 实验细节 | 有限元模型 | 结果和讨论 | 结论致谢参考| | 一三三维有限元模型的 ABAQUS 模拟焊接和高压水喷射过程。建模过程的概述如图 4 所示 。残余应力是由一个连续的热结构和结构的有限元耦合模拟。首先，焊接温度的计算由一个非线性传热分析（步骤 1） ，然后将温度数据输入到机械模型来计算的残余应力分布（步骤 2） 。步骤 3 是模拟高压水射流。应力和桩的应用比较。有限元网格划分如图 1 所示 （B）
9、 ，包括 55575 个节点和 49728 个单元。焊接温度模拟。焊缝金属沉积单元的模拟添加和删除的 ABAQUS 提供的技术。焊缝金属元素并重新激活失活在焊接前焊接开始。焊接热源是由双椭球分布模型采用 Goldak 等人提出的模拟。 28 所描述的对于前端热源（3）Q（x，y，z，t）= 63ffqabc1E3x2 /标志/3y2 B2E3z2 / C对于后热源（4）Q（x，y，z，t）= 63frqabc2E3x2 /标志/3y2 B2E3z2 / C在 FF 和 FR 参数给出的分数热沉积在前部和后部的部分，分别。注意，FF + FR = 2。在这里，它是假定 FF 1.5 和 FR 是
10、 0.5，这是基于这样一个事实：在前部分的温度梯度较大的后缘。 问 是焊接热源功率。参数 ， B， C1、C2和 调整以创建所需的融化的大小。移动焊接电弧是由 ABAQUS 用户子程序DFLUX 建模 从 afortran 源码编译。被认为是辐射和对流引起的热损失。辐射是通过定义依赖于温度的传热系数为蓝本， H.在这个模型中，复合金属和贱金属是不锈钢和碳钢，分别和他们的传热系数计算式（5）和（6） 29 ，分别。对于不锈钢（5）H = 0.0668t，0T500c0.231t82.1，T500C对碳钢（6）H =（T + 273）4 （+ 273）4） （T到） + HC在 T0 = 20 C
11、 室温； = 5.67 108 J /（m2 K4 S）是斯特凡 玻尔兹曼常数。 HC 是对流换热系数（15 瓦/平方米 K） 。由于凝固的熔池的热效应模型考虑的潜热的融合。碳钢，潜热为 270 焦耳/克1450 和 1500 C 之间，而这是 260 焦耳/克 1340 和 1390 C 之间 不锈钢 29 。为了模拟对流搅拌的效果，作为金属温度超过熔点，假定的热导率是三倍大于在室温下。焊接残余应力的仿真。的残余应力的计算方法是使用温度分布从热分析作为输入。在这种模式下，材料不发生固态相变，并在模拟的效果没有被考虑。因此，可以计算出的残余应力的热弹塑性模型。应变能分解为弹性应变、塑性应变和热
12、应变。弹性应变模型，采用各向异性虎克定律与温度相关的杨氏模量和泊松比。利用热膨胀的温度相关系数计算热应变。对于塑性应变，速率无关的塑性模型采用米塞斯屈服面，温度依赖性的机械性能，和线性各向同性硬化模型。温度相关的材料特性被认为是 30 。模拟强化。图 5 显示了一个 的压延过程示意图。水，是由一个高增压器增压，流经喷嘴和照射在试样表面。这种冲击射流产生的表面压力分布（图 6 所示 ）产生局部塑性变形，这是由周围材料的约束，从而导致压应力在表面。的压力分布引起的冲击射流的后果是由 23 （7）P = P0 2（RR）33（RR ）2 + 1 为 R R（8）P = 0 为 R R在 R 从射流和
13、 R *中心的径向距离的射流作用的圆形区域外的径向坐标，如图5 所示 。 P0 = 最大摄氧量/ 2 是最大冲击压力的影响水射流的中心，在那里 是水的密度和 Vmax 在水射流速度峰值。这一计算， P0 100 MPa。为了模拟运动射流压力负荷在式（7） ， 描述用户子程序（DLOAD）从 FORTRAN 编译源用于 ABAQUS。高压水射流与下列假设模型：（1）水撞击在垂直表面，水滴的横向速度是不容忽视的。 （2）由水射流引起的瞬态冲击压力被视为准静态分布。 （3）材料是各向同性的。结果与讨论摘要 | 介绍 | 实验细节 | 有限元模型 | 结果和讨论 | 结论致谢参考| | 温度分布。图
14、7 显示 在模型表面和焊缝截面的温度轮廓焊接过程。峰值温度为 1794 C，它位于焊缝中心。温度逐渐远离焊缝中心。在热影响区（HAZ）最高温度为1355 C.在焊缝区域的温度超过熔点。前、后桩的残余应力分布。图 8 比较了 焊接残余应力沿路径位于焊缝中间面治疗前、后桩。对于焊接状态，仿真结果与在焊缝及热影响区的实验数据吻合较好，表明计算方法是合理的。在基体金属中，有限元法和测量法有一定的差异，可能是因为基体金属含有一些在模拟中没有考虑的应力。总的来说，作为焊接残余应力都集中在焊缝和热影响区。的湿喷桩处理后，残余应力已大大降低，如图 8 所示 。纵向和横向应力的峰值，在 280 和 230 兆帕
15、，分别值下降到 90 和 80 兆帕，分别强化后的应用。应力松弛机理。图 9 显示 沿焊缝表面等效塑性应变和湿喷桩处理后。图表明，在水射流已被应用后，塑性应变增大，而弹性应变减小。通过强化冲击射流与作为焊接应力场产生的应力场和形成新的应力分布。由于新的复合应力超过屈服强度，塑性变形发生，导致残余应力松弛。当射流压力 p0increases，残余应力降低，导致塑性应变的增加，如图 10 所示 。ifp0 增大到约 280 兆帕（1.4 倍的屈服强度） ，纵向应力降低成为压缩。因此，该 macroplastic 变形是宏观残余应力松弛的主要原因。在微尺度上，由于不均匀加热和随后的冷却，金属发生塑性
16、变形，在焊接过程中，导致在晶格缺陷，如空隙和位错。这些缺陷与晶格相互作用，产生残余应力场。微观上，焊接残余应力导致的位错分布的宏观结构。不同分布的位错产生不同的残余应力状态。焊缝金属具有比母材更高的位错密度；因此，它有一个应力集中信息。拉伸残余应力通常存在于焊缝表面，而这种位错分布对应于更高的能量结构。当水射流冲击金属表面的高速度，在金属表面上的压力产生的应力状态，超过屈服应力，使位错运动，导致残余应力重分布。因此，拉伸残余应力降低，甚至可以改变一个压缩应力。结果表明，金属晶体的微观塑性变形，通过位错的运动产生的，可以降低和均化残余应力。望月 15 实验表明，湿喷桩可以防止 SCC 的焊接组件
17、。他发现有裂缝的部分无强化，而喷丸表面无裂纹。裂缝分布在焊缝附近的高拉应力。然而，该机制并没有调查。在这里，我们表明，桩可将焊缝表面的压应力，可提高焊缝金属和降低的敏感性 SCC。通过使用有限元方法，本文中所描述的，我们也可以预测的临界最大冲击压力在水射流冲击的中心附近的焊接残余应力的拉伸残余应力的压缩应力。不幸的是，强化实验研究无法进行本文由于测试设备的缺乏。因此，进一步的实验工作仍需要在未来进行。结论本文研究了焊接残余应力的降低湿喷桩应用于 304 不锈钢复合板焊接修复后。得出以下结论：（1）焊接残余应力在焊缝和热影响区产生的大的拉伸。这里进行的有限元分析与实验结果显示出良好的协议。（2）用户子程序已发展到模型的移动荷载产生的湿喷桩。湿喷桩可以减小焊接残余拉应力，甚至引入压应力对金属表面。（3）随着最大冲击压力的增大，对水射流冲击力的影响最大，残余应力明显减小，甚至可以改变为压应力。有 p0which 临界值可以改变拉应力为压应力。在目前的模拟，为 p0increases 1.4 倍 304 不锈钢的屈服强度，在表面的残余应力是压缩。
