由于人們只注重現(xiàn)代工藝方法和新材料的開發(fā)研制，而忽略了機械加工過程中殘余應力的影響。實際上，在構(gòu)件的使用過程中，發(fā)生破壞事故時，除了材料本身的結(jié)構(gòu)和強度外，還與殘余應力的影響有密切關(guān)系。因此，研究分析材料加工過程中殘余應力的產(chǎn)生、分布情況就很有必要了。本文主要對焊接毛胚沖壓成形過程中產(chǎn)生的殘余應力進行測試分析。

試驗方法及條件

殘余應力測試方法采用盲孔法，儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK殘余應力鉆孔裝置組成。進行標定試驗，確定相關(guān)系數(shù)。試驗材料為耐候鋼09CuPCrNi和奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。試驗條件：試驗材料為冷軋板材，尺寸為200mm*50mm*3mm。接頭形式為對接，焊接規(guī)范模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝。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。

實驗結(jié)果及分析

平板對接焊縫殘余應力測試

每個測量點橫向距離為1mm，縱向距離為6mm。

選取幾個特殊的點：A為焊縫中心，拉應力*大；B點靠近熔合線；C點處于過熱區(qū)；D點遠離焊縫，屬母材區(qū)。

由表1可知，焊縫區(qū)的殘余應力為拉應力，由于1Cr18Ni9Ti在焊接過程中具有較大的壓縮塑性變形，因而拉伸應力峰值較大，接近其屈服極限，并且殘余拉應力區(qū)的寬度較大。表中σ1為縱向應力，σ2為橫向應力。

表1  對接焊縫殘余應力

表2  彎曲件殘余應力測量結(jié)果

彎曲件殘余應力測試

表2是彎曲件殘余應力測量結(jié)果，值得注意的是，殘余壓應力區(qū)厚度為δ/2-δ/3=δ/6，所以鉆孔時，鉆孔深度為δ/6mm（δ為板厚）。

A點是焊縫中心，B點是焊縫以外一點。σ₁為切向應力，σ₂為寬度方向應力。

母材彎曲件變形區(qū)切向殘余應力為負，寬度方向殘余應力為正，焊接未彎件切向殘余應力為正，橫向殘余應力為正（見表1中A、B點的應力值）。從表2可看出，彎曲后A點的縱向殘余應力為正，寬度方向殘余應力為負，與母材相比有很大的變化，切向殘余應力由原來的壓應力變?yōu)槔瓚Γ湓蚓褪菑澢暗暮附託堄鄳σ鸬?，雖然彎曲時外表面拉伸變形釋放了一部分殘余應力，但由于焊接殘余應力較大，彎曲后仍是拉應力。

拉伸件殘余應力測試

A點為筒底中心，B點為底部與筒壁相切處，C點為圓筒件口部一點。環(huán)形焊縫的焊接件B點位于環(huán)形焊縫的中心。在筒壁上，σ1為周向切應力，σ2為軸向應力。

表3  09CuPCrNi拉伸件殘余應力

表4  1Cr18Ni9Ti拉伸件殘余應力

試驗結(jié)果表明:在A點處，母材和環(huán)形焊縫拉深件殘余應力均為壓應力，由于材料變形時為雙向拉伸，卸載后的兩向殘余應力基本一樣，與B、C兩點比較，該點殘余應力較小，帶縱向焊縫的試樣A點為殘余拉應力，是焊縫原有的殘余應力部分釋放后的結(jié)果。

由圖1、2可以看出，帶焊縫試樣的切向殘余應力峰值較大，尤其是環(huán)形焊縫處，殘余拉應力接近材料本身的屈服極限。在筒形件端口，切向拉應力也較大。帶縱向焊縫的試樣，應力值*大。焊縫處切向拉應力明顯增大的原因是焊縫本身的殘余拉應力和沖壓過程中形成的殘余應力拉應力疊加的結(jié)果。

結(jié)論

焊接接頭本身的殘余應力較大，沖壓成形后，殘余應力的大小和性質(zhì)發(fā)生較大的變化。沖壓過程本身就是一個不均勻塑性變形過程，變形過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)生伸長變形時殘余應力下降，但焊縫發(fā)生壓縮變形時，殘余應力*大值接近材料的屈服極限。如環(huán)形焊縫試件拉深后，切向應力高達307MPa，在使用過程易發(fā)生應力腐蝕裂紋。