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双向预置应力控制焊接变形及热裂纹的机制研究

作　者: 刘沛治
导　师: 刘雪松
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 双向预置应力残余应力焊接变形塑性区
分类号: TG404
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

针对硬铝合金薄板构件焊接后存在残余应力、焊接变形和热裂纹等问题,本文从力学角度出发采用双向预置应力法,即焊接前在纵向预置一定拉应力,横向预置一定压应力,以获得控制焊接变形、减小残余应力和防止热裂纹的综合效果。通过数值模拟发现预置横向压应力能够减少焊接纵向变形。研制了实验装置,包括挤压头、压板、平台、新夹具、以及实验台,通过预置横向压应力作用实验证实了模拟的正确性。拉应力实验证明:施加拉应力之后能够显著降低最大纵向残余应力值,不同长度的试件纵向残余应力沿纵向的分布趋势相似,长试件的应力稳定区较长。拉伸实验发现双向预置应力法焊后的试件抗拉强度与常规焊相比没有明显变化;金相实验发现预置应力作用后的试件熔合区到焊缝区长条状晶粒增多,且趋向于有序排列。通过研究预置拉应力控制变形、预置压应力防止热裂纹机制发现:施加预置拉应力作用后减小了纵向压缩塑性应变值,预置拉应力值σ和最大纵向塑性应变值ε′max之间近似符合线性关系式;施加预置压应力作用后增加了横向塑性应变值,预置压应力值σ和最大横向塑性应变差值εmax之间近似符合二次曲线关系式。为了达到相似的控制残余应力效果,预置拉应力值近似为预置压应力的二倍,可用一个修正系数来修正。预置应力作用后使塑性区宽度变窄。一定宽度的横向压应力作用防止热裂纹,为保证最佳控制效果,当压应力作用宽度小于等于20mm时压应力作用中心应该在热源中心之后20mm处;当压应力作用宽度大于20mm时改为在热源中心之后10mm处;压应力大小对最佳作用位置没有影响;压应力作用宽度越长,压应力值越大,控制效果越明显。焊后拉伸也能够降低残余应力,减少焊接变形,所施加拉应力越大,控制效果越明显;焊前拉伸控制效果优于焊后拉伸。本文通过模拟以及实验得出的结论,不仅丰富了焊接应力与变形的理论研究,也为研究成果在实际中的应用提供指导。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 课题背景及研究意义  9-11
    1.1.1 研究材料  9
    1.1.2 焊接应力和变形  9-10
    1.1.3 焊接热裂纹  10-11
  1.2 国内外研究现状及分析  11-19
    1.2.1 理论研究  11-13
    1.2.2 控制焊接变形及残余应力方法  13-17
    1.2.3 防止热裂纹的方法  17-19
  1.3 双向预置应力的提出  19-20
  1.4 主要研究内容  20-21
第2章数值模拟及实验装置改进  21-31
  2.1 数值模拟与实验装置改进  21-30
    2.1.1 数值模拟  21-26
    2.1.2 实验装置改进  26-30
  2.2 本章小结  30-31
第3章实验及结果分析  31-41
  3.1 实验材料及其焊接性  31-32
  3.2 横向预置压应力控制变形实验  32-35
    3.2.1 焊前准备  32-33
    3.2.2 预置压应力控制变形实验及分析  33-35
  3.3 预置纵向拉应力控制残余应力实验  35-38
  3.4 力学性能实验  38-40
    3.4.1 抗拉强度实验  38-40
    3.4.2 金相实验  40
  3.5 本章小结  40-41
第4章双向预置应力作用机制研究  41-52
  4.1 预置纵向拉应力控制变形机制研究  41-44
  4.2 预置横向压应力控制热裂纹机制研究  44-46
  4.3 双向预置应力耦合作用的研究  46-48
  4.4 塑性区宽度的研究  48-51
    4.4.1 纵向残余应力主作用区宽度的研究  48-50
    4.4.2 塑性区宽度的研究  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章随焊压应力作用与焊后拉伸的研究  52-57
  5.1 一定宽度横向压应力防止热裂纹的研究  52-54
  5.2 焊后拉伸控制应力及变形的研究  54-56
  5.3 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-63
致谢  63

双向预置应力控制焊接变形及热裂纹的机制研究

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