機(jī)械應(yīng)力

機(jī)械應(yīng)力消除法盡管是一種比較有效的應(yīng)力消除方法，但是關(guān)于該方法的研究一直比較少。對于機(jī)械應(yīng)力消除法有限元模擬，需要進(jìn)行三步計(jì)算。

(1) 采用非線性瞬態(tài)熱分析計(jì)算焊接溫度場分布。

(2) 根據(jù)焊接溫度場分布的結(jié)果，采用非線性結(jié)構(gòu)分析計(jì)算焊接殘余應(yīng)力分布。

(3) 在焊接殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用彈塑性有限元法進(jìn)行二次計(jì)算，分析加載后的殘余應(yīng)力分布。

對于多層多道焊的有限元計(jì)算采用生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)填充材料的逐步填充。在開始計(jì)算前，將焊縫中所有單元?dú)⑺?，相?dāng)于焊前的裝配狀態(tài)。在計(jì)算過程中，按順序?qū)⒈弧皻⑺馈钡膯卧凹せ睢?，模擬焊縫金屬的填充。同時(shí)，給激活的單元施加生熱率，熱載荷的作用時(shí)間等于實(shí)際焊接時(shí)間。在有限元計(jì)算中，“殺死”有限元模型中的單元并不是將該單元從模型中刪除，只是將其熱傳導(dǎo)矩陣乘以一個(gè)很小的因子，死單元的熱載荷、質(zhì)量和比熱容設(shè)為零。同理，單元的“出生”也不是將它加入到模型中，而是重新激活它，使單元的比熱容、熱傳導(dǎo)和質(zhì)量等恢復(fù)到原始狀態(tài)。

根據(jù)加載壓力與時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)行了焊后閥體的機(jī)械應(yīng)力消除試驗(yàn)。試驗(yàn)前，采用盲孔法測量閥體外表面焊縫的殘余應(yīng)力；采用橡膠圈將閥體的兩頭密封，然后用水壓試驗(yàn)裝置將閥體兩頭壓住，使用水壓控制裝置控制水壓增長速率和閥體內(nèi)部的壓力。機(jī)械應(yīng)力消除試驗(yàn)結(jié)束后，采用盲孔法再次測量閥體外表面兩條焊縫處的殘余應(yīng)力。

焊接殘余應(yīng)力和變形，一直是國內(nèi)外焊接學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。自從出現(xiàn)焊接技術(shù)以來，人們就已經(jīng)注意到在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)、制造過程中不可避免的產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形。焊接殘余應(yīng)力和變形不但可能引起焊接工藝缺陷，而且在一定條件下將影響結(jié)構(gòu)的承載能力：諸如強(qiáng)度，剛度和受壓穩(wěn)定性；除此以外還影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性。因此，一直以來，焊接學(xué)者們不斷的探索對焊接殘余應(yīng)力和變形的控制、調(diào)整和減小的工藝方法和措施。

根據(jù)ASME 壓力管道規(guī)范B31和我國鋼制壓力容器焊接規(guī)程的要求，當(dāng)材料厚度大于38 mm時(shí)，需對其進(jìn)行焊后熱處理(Post weld heat treatment,PWHT)，其目的是去氫、消除焊接殘余應(yīng)力和恢復(fù)材料塑性。和其他方法相比，焊后熱處理消除焊接殘余應(yīng)力被認(rèn)為是最有效的。全焊接閥體球閥的制造是將閥心、閥體、連接體和密封圈等部件裝配完之后，采用焊接的方法將閥體和連接體連成一體。由于焊接是最后一道工序，為了保證焊接變形不得影響閥心的轉(zhuǎn)動(dòng)和閥門的密封，必須采取措施控制焊接變形和殘余應(yīng)力，保證焊接結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性，提高焊接結(jié)構(gòu)使用安全性。根據(jù)文獻(xiàn)，閥體最大殘余拉應(yīng)力分布在閥體外表面，而內(nèi)表面呈現(xiàn)出壓應(yīng)力，為了確保結(jié)構(gòu)的承載能力以及抗腐蝕性能，主要降低閥體外表面的殘余拉應(yīng)力?？墒怯捎谌附娱y體球閥采用橡膠密封圈密封，因此為了防止密封圈的損壞，導(dǎo)致密封性能降低，焊后不能采用熱處理進(jìn)行消應(yīng)力。

在大的壓力容器和管道焊接中，機(jī)械應(yīng)力消除法(Mechanical stress relieving, MSR)經(jīng)常被認(rèn)為是一種更方便更經(jīng)濟(jì)的應(yīng)力消除法。根據(jù)ASTM A105/A 105M-01 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于焊接閥體閥門，焊后必須進(jìn)行工作壓力下的水壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)焊接閥門的密封性。在水壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了閥體機(jī)械應(yīng)力消除法試驗(yàn)加載壓力與加載時(shí)間的關(guān)系，采用有限元模擬和試驗(yàn)測量相結(jié)合的方法研究機(jī)械應(yīng)力消除法對閥體焊接殘余應(yīng)力的影響 。

1 消應(yīng)力原理

機(jī)械應(yīng)力消除法是在焊接結(jié)構(gòu)中施加外部壓力，焊接殘余應(yīng)力和外部壓力疊加，由于較高殘余應(yīng)力的地方不能再承受任何外部壓力而產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)外部壓力去除之后，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力減小。

2 加載壓力與時(shí)間的關(guān)系

全焊接閥體球閥的工作壓力為10 MPa，機(jī)械應(yīng)力消除法的外加壓力為工作壓力的1.5 倍，即15MPa。根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)的尺寸和日本《載油艙機(jī)械應(yīng)力消除法及水壓試驗(yàn)》說明，設(shè)計(jì)了閥體機(jī)械應(yīng)力消除試驗(yàn)加載壓力與時(shí)間的曲線圖。從中可以看出，機(jī)械應(yīng)力消除法試驗(yàn)需要進(jìn)行四步。

(1) 首先以一定的加載速率將水壓加載到設(shè)計(jì)壓力，然后保持10 min 左右，接著繼續(xù)以該加載速率將水壓加到試驗(yàn)壓力，然后將壓力以一定的卸載速率逐漸降低到0 MPa。

(2) 再將水壓以一定的加載速率加到試驗(yàn)壓力，隨后以一定的卸載速率逐漸降低到0 MPa。

(3) 以一定的加載速率增加水壓到應(yīng)力釋放壓力，在加壓過程中分別在3 MPa、設(shè)計(jì)壓力和密封試驗(yàn)壓力三個(gè)地方各保持10 min，加到應(yīng)力釋放壓力后，保持30 min，然后將壓力以一定的卸載速率逐漸降低到0 MPa。

(4) 以一定的加載速率將水壓加載到設(shè)計(jì)壓

力，保持10 min 之后，以一定的卸載速率逐漸0MPa。

第一步和第二步是為了確保試驗(yàn)過程各部分受力均勻，第三步加載到應(yīng)力釋放壓力降低焊接殘余應(yīng)力，第四部加載到試驗(yàn)壓力保存10 min，檢查閥體的密封性能。

3 加載方式

機(jī)械應(yīng)力消除試驗(yàn)壓力加載方式通常有三種。

(1) 在筒體內(nèi)表面加載一個(gè)徑向壓力。

(2) 在筒體外表面加載一個(gè)徑向壓力。

(3) 在筒體端部加載一個(gè)軸向拉力。

研究表明：在筒體內(nèi)表面加載一個(gè)徑向壓力對殘余應(yīng)力降低效果最好。因此，根據(jù)加載壓力與時(shí)間的關(guān)系，在閥體內(nèi)表面加載一個(gè)徑向壓力，采用有限元計(jì)算和試驗(yàn)測量的方法分別研究了閥體的機(jī)械應(yīng)力消除試驗(yàn)對外表面焊接殘余應(yīng)力的影響 。

(1) 有限元計(jì)算值和試驗(yàn)測量值比較吻合，軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力基本表現(xiàn)為拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫中心的地方出現(xiàn)了數(shù)值較小的壓應(yīng)力。軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力分別有兩個(gè)應(yīng)力峰值，這是因?yàn)槊繉雍附觾傻篮缚p，從而造成兩個(gè)焊縫中心所引起的。

(2) 機(jī)械應(yīng)力消除法降低了焊縫及附近區(qū)域的軸向和徑向拉應(yīng)力，對于遠(yuǎn)離焊縫中心的區(qū)域，軸向和徑向壓應(yīng)力也減小。焊接殘余應(yīng)力的分布總是處于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的平衡狀態(tài)，焊縫中心及其附近區(qū)域存在高的拉應(yīng)力，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域存在壓應(yīng)力。焊接時(shí)，焊縫金屬受熱膨脹，由于受到外圍固態(tài)金屬的約束而表現(xiàn)為壓應(yīng)力，當(dāng)冷卻時(shí)，焊縫金屬收縮，由于受到外圍固態(tài)金屬的約束，焊縫及其附件區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力。為了達(dá)到內(nèi)部應(yīng)力的自平衡，壓應(yīng)力區(qū)域?qū)⑾蚝缚p中心外移動(dòng)。由于焊縫及附近區(qū)域焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，當(dāng)疊加一個(gè)工作應(yīng)力后，應(yīng)力值超過材料的屈服點(diǎn)，材料發(fā)生局部塑性變形，卸載后，塑性變形要恢復(fù)到原始應(yīng)變位置，從而降低軸向和徑向拉應(yīng)力，為了達(dá)到內(nèi)部應(yīng)力的自平衡，遠(yuǎn)離焊縫中心區(qū)域的軸向和徑向壓應(yīng)力也減小。因此，機(jī)械應(yīng)力消除法明顯地可以降低閥體外表面焊接殘余應(yīng)力峰值，使殘余應(yīng)力分布更加均勻，可以作為焊后熱處理的替代工 藝。

(1) 建立了閥體機(jī)械應(yīng)力消除法試驗(yàn)加載壓力與時(shí)間的關(guān)系圖，采用有限元計(jì)算及試驗(yàn)測量研究了機(jī)械應(yīng)力消除法對閥體焊接殘余應(yīng)力的影響。

(2) 采用二維軸對稱有限元法可以模擬機(jī)械應(yīng)力消除法過程。

(3) 機(jī)械應(yīng)力消除法可以降低焊接殘余應(yīng)力峰值，使焊接殘余應(yīng)力分布更加均勻，可以作為焊后熱處理的替代方法用于控制焊接殘余應(yīng)力 。

在各種工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受外荷載之前,對受拉模塊中的鋼筋等受力模塊，施加預(yù)拉應(yīng)力，提高構(gòu)件的剛度和硬度，推遲裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，增加構(gòu)件的耐久性。對于機(jī)械結(jié)構(gòu)來看，其含義為預(yù)先使其產(chǎn)生應(yīng)力，其好處是可以提高構(gòu)造本身剛性和硬度，減少受拉模塊的振動(dòng)和彈性變形。這樣做可以明顯改善受拉模塊的強(qiáng)度，使原本的抗性更強(qiáng)。

在結(jié)構(gòu)承受外荷載之前，預(yù)先對去在外荷載作用下的受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，以改善結(jié)構(gòu)使用的性能的結(jié)構(gòu)型式稱之為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

舉例：預(yù)應(yīng)力是在混凝土凝結(jié)前用鋼筋強(qiáng)機(jī)械把混凝土中的鋼筋適度拉伸著，在混凝土凝結(jié)后撤去外力，鋼筋就會(huì)在混凝土里產(chǎn)生一個(gè)收縮的應(yīng)力，使鋼筋混凝土強(qiáng)度更大。因而可以減少鋼筋用量，節(jié)約鋼材。

中文名稱

機(jī)械應(yīng)力缺陷

英文名稱

mechanical stress defect

定　　義

晶片加工時(shí)，在其表面引入的機(jī)械應(yīng)力缺陷。經(jīng)腐蝕后可顯現(xiàn)出該種缺陷的痕跡。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），半導(dǎo)體材料（二級學(xué)科），元素半導(dǎo)體材料（三級學(xué)科）

預(yù)應(yīng)力機(jī)械的型號表示方法見下表：