機械應力

機械應力(mechanical stress)是指物體由於外因(受力、濕度變化等)而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，並力圖使物體從變形後的位置回復到變形前的位置。常見的應力現象就是鋼絲不容易拉直，回捲起來。

基本介紹

• 中文名：機械應力
• 外文名：Mechanical stress
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 釋義：物體由於外因變形時產生的內力
• 舉例：鋼絲不容易拉直

作用

焊接殘餘應力和變形，一直是國內外焊接學者們關注的焦點問題。自從出現焊接技術以來，人們就已經注意到在焊接結構的生產、製造過程中不可避免的產生焊接殘餘應力和變形。焊接殘餘應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構的承載能力：諸如強度，剛度和受壓穩定性；除此以外還影響到結構的加工精度和尺寸穩定性。因此，一直以來，焊接學者們不斷的探索對焊接殘餘應力和變形的控制、調整和減小的工藝方法和措施。

根據ASME 壓力管道規範B31和我國鋼製壓力容器焊接規程的要求，當材料厚度大於38 mm時，需對其進行焊後熱處理(Post weld heat treatment,PWHT)，其目的是去氫、消除焊接殘餘應力和恢復材料塑性。和其他方法相比，焊後熱處理消除焊接殘餘應力被認為是最有效的。全焊接閥體球閥的製造是將閥心、閥體、連線體和密封圈等部件裝配完之後，採用焊接的方法將閥體和連線體連成一體。由於焊接是最後一道工序，為了保證焊接變形不得影響閥心的轉動和閥門的密封，必須採取措施控制焊接變形和殘餘應力，保證焊接結構尺寸的穩定性，提高焊接結構使用安全性。根據文獻，閥體最大殘餘拉應力分布在閥體外表面，而內表面呈現出壓應力，為了確保結構的承載能力以及抗腐蝕性能，主要降低閥體外表面的殘餘拉應力。可是由於全焊接閥體球閥採用橡膠密封圈密封，因此為了防止密封圈的損壞，導緻密封性能降低，焊後不能採用熱處理進行消應力。

在大的壓力容器和管道焊接中，機械應力消除法(Mechanical stress relieving, MSR)經常被認為是一種更方便更經濟的應力消除法。根據ASTM A105/A 105M-01 標準規定，對於焊接閥體閥門，焊後必須進行工作壓力下的水壓試驗，檢驗焊接閥門的密封性。在水壓試驗的基礎上，建立了閥體機械應力消除法試驗載入壓力與載入時間的關係，採用有限元模擬和試驗測量相結合的方法研究機械應力消除法對閥體焊接殘餘應力的影響。

消除法

1 消應力原理

機械應力消除法是在焊接結構中施加外部壓力，焊接殘餘應力和外部壓力疊加，由於較高殘餘應力的地方不能再承受任何外部壓力而產生塑性變形，當外部壓力去除之後，導致焊接殘餘應力減小。

2 載入壓力與時間的關係

全焊接閥體球閥的工作壓力為10 MPa，機械應力消除法的外加壓力為工作壓力的1.5 倍，即15MPa。根據閥體結構的尺寸和日本《載油艙機械應力消除法及水壓試驗》說明，設計了閥體機械應力消除試驗載入壓力與時間的曲線圖。從中可以看出，機械應力消除法試驗需要進行四步。

(1) 首先以一定的載入速率將水壓載入到設計壓力，然後保持10 min 左右，接著繼續以該載入速率將水壓加到試驗壓力，然後將壓力以一定的卸載速率逐漸降低到0 MPa。

(2) 再將水壓以一定的載入速率加到試驗壓力，隨後以一定的卸載速率逐漸降低到0 MPa。

(3) 以一定的載入速率增加水壓到應力釋放壓力，在加壓過程中分別在3 MPa、設計壓力和密封試驗壓力三個地方各保持10 min，加到應力釋放壓力後，保持30 min，然後將壓力以一定的卸載速率逐漸降低到0 MPa。

(4) 以一定的載入速率將水壓載入到設計壓

力，保持10 min 之後，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過程各部分受力均勻，第三步載入到應力釋放壓力降低焊接殘餘應力，第四部載入到試驗壓力保存10 min，檢查閥體的密封性能。

3 載入方式

機械應力消除試驗壓力載入方式通常有三種。

(1) 在筒體內表面載入一個徑向壓力。

(2) 在筒體外表面載入一個徑向壓力。

(3) 在筒體端部載入一個軸向拉力。

研究表明：在筒體內表面載入一個徑向壓力對殘餘應力降低效果最好。因此，根據載入壓力與時間的關係，在閥體內表面載入一個徑向壓力，採用有限元計算和試驗測量的方法分別研究了閥體的機械應力消除試驗對外表面焊接殘餘應力的影響。

有限元模擬

機械應力消除法儘管是一種比較有效的應力消除方法，但是關於該方法的研究一直比較少。對於機械應力消除法有限元模擬，需要進行三步計算。

(1) 採用非線性瞬態熱分析計算焊接溫度場分布。

(2) 根據焊接溫度場分布的結果，採用非線性結構分析計算焊接殘餘應力分布。

(3) 在焊接殘餘應力計算結果的基礎上，採用彈塑性有限元法進行二次計算，分析載入後的殘餘應力分布。

對於多層多道焊的有限元計算採用生死單元技術實現填充材料的逐步填充。在開始計算前，將焊縫中所有單元殺死，相當於焊前的裝配狀態。在計算過程中，按順序將被“殺死”的單元“激活”，模擬焊縫金屬的填充。同時，給激活的單元施加生熱率，熱載荷的作用時間等於實際焊接時間。在有限元計算中，“殺死”有限元模型中的單元並不是將該單元從模型中刪除，只是將其熱傳導矩陣乘以一個很小的因子，死單元的熱載荷、質量和比熱容設為零。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、熱傳導和質量等恢復到原始狀態。

閥體機械應力消除法試驗

根據載入壓力與時間的關係，進行了焊後閥體的機械應力消除試驗。試驗前，採用盲孔法測量閥體外表面焊縫的殘餘應力；採用橡膠圈將閥體的兩頭密封，然後用水壓試驗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部的壓力。機械應力消除試驗結束後，採用盲孔法再次測量閥體外表面兩條焊縫處的殘餘應力。

結果

(1) 有限元計算值和試驗測量值比較吻合，軸向應力和環向應力基本表現為拉應力，遠離焊縫中心的地方出現了數值較小的壓應力。軸向殘餘應力和環向殘餘應力分別有兩個應力峰值，這是因為每層焊接兩道焊縫，從而造成兩個焊縫中心所引起的。

(2) 機械應力消除法降低了焊縫及附近區域的軸向和徑向拉應力，對於遠離焊縫中心的區域，軸向和徑向壓應力也減小。焊接殘餘應力的分布總是處於拉應力和壓應力的平衡狀態，焊縫中心及其附近區域存在高的拉應力，而遠離焊縫區域存在壓應力。焊接時，焊縫金屬受熱膨脹，由於受到外圍固態金屬的約束而表現為壓應力，當冷卻時，焊縫金屬收縮，由於受到外圍固態金屬的約束，焊縫及其附屬檔案區域表現為拉應力。為了達到內部應力的自平衡，壓應力區域將向焊縫中心外移動。由於焊縫及附近區域焊接產生的熱應力較大，當疊加一個工作應力後，應力值超過材料的屈服點，材料發生局部塑性變形，卸載後，塑性變形要恢復到原始應變位置，從而降低軸向和徑向拉應力，為了達到內部應力的自平衡，遠離焊縫中心區域的軸向和徑向壓應力也減小。因此，機械應力消除法明顯地可以降低閥體外表面焊接殘餘應力峰值，使殘餘應力分布更加均勻，可以作為焊後熱處理的替代工藝。

總結

(1) 建立了閥體機械應力消除法試驗載入壓力與時間的關係圖，採用有限元計算及試驗測量研究了機械應力消除法對閥體焊接殘餘應力的影響。

(2) 採用二維軸對稱有限元法可以模擬機械應力消除法過程。

(3) 機械應力消除法可以降低焊接殘餘應力峰值，使焊接殘餘應力分布更加均勻，可以作為焊後熱處理的替代方法用於控制焊接殘餘應力。