焊接板材毛坯冲压成形中残余应力的测试与分析

花和尚

焊接板材毛坯冲压成形中残余应力的测试与分析 孙兰英　翟封祥　张耕 摘　要：通过实验测试了焊接毛坯冲压成形(弯曲、拉深)过程中产生的残余应力，并对实验结果进行了分析。通过分析得出了对焊接冲压成形加工复合化技术工艺实践有指导意义的结论。 关键词：焊接；残余应力；冲压成形 分类号：TG 333.7　　　文献标识码：A 文章编号：1008-1542(2000)01-0069-04 The Experimental Investigation of Residual Stress in the Process of Press Forming of Welding Plate Workblank 　　SUN Lanying　ZHAI Fengxiang　ZHANG Geng （College of Electronic and Machanical Engineering, Hebei University of Science and Technology,Hebei Shijiazhuang 050054,China） Abstract：The residual stress producing in the process of press forming of welding workblank (bending,stretching) is tested by experiment,and the test results are analysed The significance guiding conclusion is obtained by analysis for the complex techniques practice of press forming of welding plate work blank. Key words：welding;residual stress;press forming▲ 　　在机械制造中，残余应力是使工件产生变形和开裂等缺陷的重要原因，加工后残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能。由于人们只注重现代工艺方法及新材料的开发研制，而往往忽视残余应力在机械加工过程中的影响。实际上在构件的使用过程中，发生破坏事故时，除了材料本身的结构和强度外，往往与残余应力的影响有密切的关系。因此对材料加工过程中残余应力的产生过程、分布情况进行研究是十分迫切和必要的。本论文对焊接-冲压复合化技术中的残余应力进行了如下实验及分析。 1　实验方法及条件 　　用钻盲孔法测量焊接残余应力，并做标定实验以确定有关系数。实验材料为耐候钢09CuPCrNi和奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti。实验条件：实验材料为冷轧板材，尺寸为200 mm×50 mm×3 mm。接头形式为对接，焊接规范模拟生产现场的工艺。其中耐候钢采用手工电弧焊，焊条为J502NiCu，电流为110 A，电压为27～30 V，焊速为50～60 cm/min。不锈钢采用MIG焊，焊条为E-0-19-10-15，电流为80～100 A，电压为24 V,焊速为10～14 cm/min。两种被焊材料的焊接方向均为从一端向另一端不间断焊接。 2　实验结果及分析 2.1　平板对接焊缝残余应力的测量 　　各测量点横向距离为1 mm,纵向距离为6 mm。 　　实验中选取几个特殊的点：A为焊缝中心，拉应力最大；B点靠近熔合线；C点处于过热区；D点远离焊缝，属母材区，见图1。

图1　测量点的分布

表1　 对接焊缝残余应力 MPa

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

由表1可知，残余应力在焊缝区为拉应力，1Cr18Ni9Ti在焊接中由于产生的压缩塑性变形大，因而拉伸应力峰值较大，接近其屈服极限，并且残余拉应力区的宽度较大。表中σ1为纵向应力，σ2为横向应力。 2.2　弯曲件残余应力的测量 　　弯曲件示意图见图2。

图2　弯曲件测点分布 　　值得注意的是残余压应力区厚度为δ/2-δ/3=δ/6，所以钻孔时，钻孔深度为δ/6 mm(δ为板厚)。 表2　弯曲件残余应力测量结果 MPa

材　　料	A		B
	σ1	σ2	σ1	σ2
1Cr18Ni9Ti	63.31	34.25	-52.06	-37.10
09CuPCrNi	53.31	22.45	-32.36	-28.24

A点为焊缝中心，B点为焊缝以外一点。σ1为切向应力，σ2为宽度方向应力。 　　母材弯曲件变形区切向残余应力为负，宽度方向残余应力为正，焊接未弯件切向残余应力为正，横向残余应力为正(见表1中A，B点的应力值)。由表2可知，弯曲后A点的纵向残余应力为正，宽度方向残余应力为负(见表1中A点的应力值)，与母材相比发生了较大的变化，切向残余应力由原来的压应力变为拉应力，其原因就是弯曲前的焊接残余应力造成的，虽然弯曲时外表面拉伸变形释放了一部分残余应力，但由于焊接残余应力较大，弯曲后仍是拉应力。 2.3　拉深件残余应力的测定 　　图3中的A点为筒底中心，B点为底部与筒壁相切处，C点为圆筒件口部一点。环形焊缝的焊接件B点位于环形焊缝的中心。在筒壁上，σ1为周向切应力，σ2为轴向应力。 表3　09CuPCrNi拉深件残余应力 MPa

试样种类	A		B		C
	σ1	σ2	σ1	σ2	σ1	σ2
母　　材	-38.11	-33.32	35.46	11.65	147.82	-74.8
对接焊件	100.17	32.69	85.89	56.32	195.45	66.79
环形焊件	-42.86	-41.78	302.65	12.34	155.2	-58.65

图3　拉深件测点分布 表4　1Cr18Ni9Ti拉深件残余应力 MPa

试样种类	A		B		C
	σ1	σ2	σ1	σ2	σ1	σ2
母　　材	-40.74	-43.98	75.72	21.44	165.10	-61.44
对接焊件	92.74	48.98	100.12	76.65	228.30	81.50
环形焊件	-37.87	-41.68	305.77	22.70	158.30	-62.86

实验结果表明：在A点处，母材和环形焊缝拉深件残余应力均为压应力，由于材料变形时为双向拉伸，卸载后的两向残余应力基本一样，与B，C两点比较，该点残余应力较小，带纵向焊缝的试样A点为残余拉应力，是焊缝原有的残余应力部分释放后的结果。 　　由图4，5可以看出，带焊缝试样的切向残余应力峰值较大，尤其是环形焊缝处，残余拉应力接近材料本身的屈服极限。在筒形件端口，切向拉应力也较大，带纵向焊缝的试样，应力值最大。焊缝处切向拉应力明显增大的原因是焊缝本身的残余拉应力和冲压过程中形成的残余拉应力叠加的结果。

图4　09CuPCrNi B,C两点处切向残余应力比较 图5　1Cr18Ni9Ti B,C两点处切向残余应力比较 3　结　论 　　焊接接头本身的残余应力较大，冲压成形后，残余应力的大小和性质发生较大的变化。冲压过程本身是不均匀塑性变形过程，变形时不同部位材料受力状态及变形效果均不同，焊缝受拉发生伸长变形时残余应力下降，但焊缝发生压缩变形时，残余应力最大值接近材料的屈服极限。如环形焊缝试件拉深后，切向应力高达307 MPa，在使用过程易发生应力腐蚀裂纹。