承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析
1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究
左右工程机械寿命的一个主要原因就是焊接构件的质量问题，存在焊接技术不成熟或焊接过程有弊病，导致构件质量达不到要求构件的焊接部位在使用的过程中容易发生破坏，从而影响设备寿命。通过计算焊接接头的疲劳寿命预测能够预先知道焊接接头的寿命，从而保证产品的运行的安全性。BS标准和IIW标准提供了各种焊接接头的疲劳等级和相应的S-N曲线，这些数据都是建立在大量的试验基础上得出的，通过采用BS标准和IIW标准能够大大减少试验所需的资金和时间。本文采用BS标准和IIW标准提供了各种接头的疲劳等级和相应的S-N曲线，然后选定相应的焊接接头形式，并根据该焊接接头形式需要采用的工艺以及测试所得到的应力谱能够计算出该接头的疲劳寿命，根据工艺要求和DIN6700标准制订出相应的焊接工艺。
基于BSI焊接接头的疲劳寿命估算，BSI标准是由英国标准学会制定的钢结构疲劳设计与评估标准，将接头形式分为12个不一样的形式。12个接头形式分别是：没有焊接的普通材料；螺栓连接或铆接，拼接或搭接接头；紧固件与受接合部件；基本平行于工作应力方向的连续焊接件；在受力构件表面或边缘的焊接件；共面钢板间的完全熔透对接焊件；型钢于管件的横向对接焊；非共面钢板间的承载角焊接头与T型对接接头；插接并且穿透受力不见得接头；圆形官状构件；结缝焊缝；分支焊接接头。在每一种接头类型中分别作了详细的分类，并提到了具体的产品形式、潜在裂纹初始位置、尺寸要求、加工要求、特殊检验要求、设计应力面积、类型编号、级别和图形等数据。
如在设计焊接接头时，选用BSI标准，则可根据焊接接头的形式在标准中选择对应的焊接接头，按照BSI设计要求设计焊接接头，其接头的疲劳等级符合设计标准。在BSI标准中，将疲劳等级分为B、C、D、E、F、F2、G、W、S和T级，每一等级对应一条S-N曲线。确定焊接接头的形式后，就需要对焊接接头进行疲劳试验，并给出响应的应力谱，然后根据公式确定比值，最后根据迈纳尔损伤累计公式就能够计算出该焊接接头疲劳寿命。
基于IIW标准焊接接头的疲劳寿命估算，IIW标准是针对钢和铝合金而制订
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的疲劳设计标准，是由国际焊接学会制定的焊接标准。在IIW标准中将所有的接头形式分成9类：非焊接构件；对接焊缝、横向承载；纵向承载焊缝；十字连接或T 形连接；非承载附件；搭接接头；加强板；法兰、分支和管接头；管接接头。每一种接头的工艺、尺寸等不相同，因此接头的疲劳等级也是不一样的。通过疲劳等级能够得到该接头对应的S-N曲线。虽然通过S-N曲线以及应力谱就能够得到该接头的疲劳寿命，焊接构件接头寿命能够通过S-N曲线以及应力谱反应出来，N值能够通过计算公式N=C/Δσm而得出,构件在施工过程中的损伤Di能够通过计算应力频率与N值而得出，将这些损伤累加得到该接头的损伤D=∑Di，由接头损伤的倒数与损伤发生的里程数得到该接头预测的疲劳寿命L=（1/∑Di）dLl。
德国的DIN6700标准主要针对铁道机车车辆制造中制定的焊接标准，包括焊接连接接缝形式、铁道机车车辆及部件维修时焊接作业的规定等等。本文，主要引用了焊接接缝形式根据BSI和IIW标准选择的接头形式，在DIN6700中选择相应的坡口形式，包括坡口、尺寸、材料厚度、坡口角度、间隙等数据。根据选择的接缝形式、材料厚度、坡口角度、间隙来选择相应的焊接工艺。实际运用DIN6700标准时，首先要设计合理的坡口形式，然后根据制造厂的焊接工艺数据库得出该接头的焊接工艺。进入疲劳估算界面后，能够将该结构的载荷谱读入数据库中，根据载荷谱就能够得到接头的雨流图。
本文提出了采用BS、IIW和DIN6700标准来设计焊接接头的形式及工艺，实现了焊接接头疲劳寿命估算和工艺设计的一体化。提高了产品的焊接工艺设计效率，提高了接头的安全性。
焊接生产中,应力变形问题成为人们关注的头等难题，对残余应力与变形进行研究所涵盖的内容相对比较广泛，焊接过程中动态应力应变研究、焊接过程中残余应力研究、焊接过程中残余应力产生时的改善办法分析。1986年,法国学者Leblond发展了一种用于焊接技术的软件（sysweld）这款软件能够建立焊接过程模型，模拟焊接的实施过程，还能对焊接过程中的传热问题进行分析研究。国外对于焊接方面的技术研究大多是使用的有限元技术对焊接的过程进行程序化系统化仿真模拟，这种仿真模型技术对构件焊接过程中的应力场与热力场的变化以及分布有所展现。这种分析手段所得出的结果相对较抽象，具有瞬时性。美国MIT的K Masubuchi教授在焊接残余应力和变形以及焊接结构分析方面也有深入
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的研究。
1.2.2国内研究
我国在焊接技术方面的学术研究相对国外起步较晚，对焊接技术的模型建立与焊接数值的技术处理起步于20世纪八十年代。我国的有些高等院校对接热弹塑性方面展开了分析研究。上海交通大学的部分学者通过三维的热弹性有限元法从压力容器上构件焊接中得出的数据进行分析讨论。长江大学张锦州等人利用ysweld软件对16MnR锅炉压力容器用钢的窄间隙焊进行了残余应力的数值模拟，在本次数值模拟中通过模拟过程中得出的数据分析而得到了焊后残余应力的集中区域，焊缝与热影响区的交界处的焊后残余应力最为集中。南京工业大学的部分学者对多道间断焊方法下的T型接头的焊接过程在进行了系统化数据模拟，对焊缝单元内部热生成进行模拟将得出的结论施加到焊缝上，使用单元生死技术模拟了焊接时候的多层多道焊接，从而能够将T型接头间断焊接焊接过程所产生的的残余应力分布情况得出结论。西安理工大学的部分学者对马鞍在具有多个接管的压力容器上的焊接过程进行了数值模拟，同样依据有限元理论，将应力应变场对温度场的作用忽略掉之后在再运用弱耦合算法，得出了焊接顺序对焊接过程温度的作用。张祥等人对压力容器外壳，多层次的平面密封焊头进行了数值模拟残余应力的研究，得到了焊缝对称焊接残余应力的规律布局。
上海交通大学做了许多根据粘弹塑性理论和粘弹塑性有限元法来研究焊后热处理原则的试验，焊后热处理中加热区、均热区及保温区宽度是需要控制的参数，汪建华等人测试了很多关于粘弹塑性理论的研究参考对局部择后热处理评定准则，总结了两种判断原则，一是根据残余应力消除效果的直接判断原则，在局部热处理情况下，找到一个加热宽度，此时作为临界加热宽度，均匀整体热处理与得到的焊接应力消除效果能相当。二是，根据优化焊接接头性能的均热区温差的判断原则，得到均热区温差主要能影响焊接接头性能，并与板厚有关系。
从应力释放角度出发的陆白告采用粘弹塑性有限元法得到了耐热钢管的焊接接头局部热处的许多有效加热环境，并研究出了合理加热宽度。将更加准确描述接头在热处理温度下的力学特性的粘塑形应力、应变关系首次应用到焊后热处
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理的定量评价中的是南航的陈勇等人，考虑进来了以往弹塑性本构方程无法将热处理过程中保温阶段热应力变化原因的不足。
国内外对于压力容器的焊后热处理方法有三种，局部焊后热处理和整体焊后热处理以及机械法消除，根据加热炉炉腾内容积的大小整体焊后热处理，可进行整体炉外和整体炉内加热待热处理工件，其中今年发展的远红外线辐射电加热法、燃气法和燃油法以及热风法、电阻丝加热法都是常见整体炉外热处理的技术手段。
实际生产中目前用的最多的是局部焊后热处理，主要是合理设计升温速率及保温时间，保证加热带的足够加热宽度等等，来达到热处理效果，局部热处理方法依然存在隔板加热、远红外线辐射加热、电阻丝加热等方式，其中的隔板加热是在筒状容器的焊缝加热部分两端安装隔板保温墙，与热源和要处理的焊接接头组合一个短暂性加热电阻炉，经过辐射换热和对流换热功能，热量就逐步由内向外传递，来加热焊接接头区域以此来抵消内应力。
电阻丝加热却大量采用的是将电阻丝缠绕在要进行热处理的焊缝处通电，这种手段一来能够从压力容器外表面加热焊缝二来还能将工件加热到焊缝，也能够将电阻丝安置在容器的内部，需要进行热处理的焊缝，例如环焊缝区域，振动方法主要是两侧进行保温隔离，构成密闭的加热空间来机械消应力，如振动时效（在构件上加激振力，强迫工件与激振器发生共振，以此达到强化金属集体，来降低应力的峰值，均匀应力的效果。对振动时效来说，能够有效的下降应力集中区域的应力峰值，消除效果能够使得应力值降低，有时却能够达到甚至更高。低应力区消除的效果要比高应力区消除的效果小。
残余应力测量目前可分两种：机械释放测量和无损测量，前者是从构件中切割或者分离出來具有残余应力的部件，使得应力得到释放，由释放出的应变来算应力。主要有分割切条法、钻孔法（盲孔与通孔）、环芯法等，主要利用工件自身的物理特性来检测的是无损检测，有中子衍射、射线衍射法、射线法、磁性法、超声法以及扫描电子声显微镜方法等。超声法和射线法发展较成熟。
钻孔法最早由美国提出，后来逐渐发展完善起来了，形成了比较成熟的理论体系。钻孔方法测残余应力的标准表现为若被测构件中存在残余应力场，或构件外部存在外加的载荷，在构件的表面一点钻一个小孔，小孔破坏了原來的应力场
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的平衡，因小孔的出现使得原来的小孔区域的应力松弛，相应的则会有应变的释放，将能够感知钻孔带来的应变变化的电阻应变片粘帖在小孔周围，确定小孔点的应力状态能够通过测定三个方向的应变释放值。如果残余应力越大，应变栅极能感知的释放应变就越大。
对于厚度大的板或体型构件，能够采用盲孔法，其计算公式和操作方法与上述相同，钻孔深度应大于钻孔直径，求得的残余应力是盲孔深度的平均值。小孔法引发构件损伤，孔周围的材料屈服，基于该法的特点，近年来，电子散斑法，全息法，云纹光学测量方法，也得到发展。关于云纹法测量残余应力的工作由清华大学的戴福隆等人涉及，提出一种替换的方法，即用云纹干涉位移，而不是电阻应变计门测得的应变，从而利用有限元方法来确定残余应力，建立了残余应力和位移的关系云纹干涉便携式钻井系统的发展可以测量的残余应力场。
张亦良等人现场用射线法测量了乙烯球罐上焊缝的残余应力，该法在操作时至关主要的是能否找到衍射面，表面应力的测量在表面进行即可，而想要对内部或更深度的应力进行测量就要剥离工件，这就决定了其在大型构件上应用空间的局限。
焊接是压力容器及管道制造过程中最主要的加工工艺，经验表明产品实际运行过程中，大部分时效事故是由承压设备燥缝的失效引起的，对一些新的焊接材料和焊接工艺的开发，都要进行海量的实际探索性试验，时间、人力和物力的成本都很高，随着计算机技术的快速发展，国内外学者越来越重视焊接数值模拟试验分析技术，国内外对焊接模拟仿真的研究也不相同。其中焊接馆池温度场、残余应力及焊接变形和流场数值模拟技术数值模拟是非常主要的领域。
西安交通大学和上海交通大学在焊接热弹塑性理论分析及数值分析上做了很多研究，像上海交通大学的汪建华等人采用了三维的热弹性有限元法对压力容器上的管板焊接进行了数值分析，而长江大学张锦州等学者利用软件对锅炉压力容器用钢的窄间隙焊进行了残余应力的数值模拟，找到了焊后最集中残余应力的区域，结果显示为热影响区与焊缝的交界处。
南京工业大学的薛小龙等学者对多道间断焊的方法下的型接头进行了数值模拟，通过假定焊缝单元的内部热量生成来施加到焊缝上，模拟了焊接时的多层多道焊接，得出了型接头间断焊接的残余应力的分布情况。西安理工大学的陈陆
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