堆焊轧辊失效分析

1、堆焊轧辊失效分析 武汉理工大学硕士学位论文堆焊轧辊失效分析姓名:杜晗婷申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:陈冰泉20071101摘要轧辊是轧钢生产中的重要部件之一,采用堆焊方法修复轧辊,能提高轧辊使用寿命,降低轧辊耗量,并能够提高轧机的作业率和产品的质量,是一种有效、经济的技术措施,因此,对轧辊修复技术进行研究和完善具有重要意义。目前人们对轧辊修复的研究多限于修复工艺的研究或者单纯的温度场、应力场的模拟,很少有人将化学成分、力和工艺综合起来系统地进行研究。本课题则从组织成分、力与工艺因素参数等方面综合分析轧辊端部剥落的原因,运用数值模拟的方法对焊接残余应力的变化过程进行预测,找出轧辊

2、堆焊修复失效的原因,为该工艺的完善奠定基础。运用对轧辊剥落层进行了相分析,利用和对堆焊层金属的组织形态和成分进行分析,通过分析结果判断剥落面所处位置。接触应力的计算基于经典赫兹理论,考虑切向载荷即摩擦力所产生的应力影响,并且分析轧辊表面淬硬层组织与心部金属材料组织性能的差别对辊间接触应力分布的影响。轧辊堆焊的焊接过程非常复杂,成功预测焊接温度场和应力场的分布情况是获得高质量焊接结构的重要举措。本论文基于平台,对轧辊堆焊的温度场和应力场的分布进行了动态模拟,分析了不同时刻的温度场分布、应力场中残余应力的变化及其沿轧辊径向分布的情况。计算结果与实测结果对比,二者基本吻合。论文的完成可为轧辊堆焊焊接

3、参数的选取提供有效依据,可望节省大量的时间和物质资源。论文针对轧辊堆焊环形焊缝的特殊情况,建立高斯分布热源模型,运用软件对母材和熔敷金属的热物理常数进行计算,特别是对熔敷金属焊态下的热物理常数的计算,通过语句实现热源移动,实现了对轧辊堆焊应力场的模拟。分析焊接工艺,选材方面考虑堆焊工作层和过渡层之间的匹配问题,以及焊缝金属的回火脆性温度区间;工艺方面,改变预热温度和热处理温度,避开回火脆性温度区间,调整堆焊顺序,提高了轧辊肩部的抗裂性,实现局部应力集中部位的均质性,从而达到降低非均质性对辊内切应力增加作用的目的,对与辊肩部相邻的辊颈进行保温处理,避免由于肩部冷速过快造成的热应力和组织淬硬。本文

4、对剥落轧辊堆焊修复工艺进行了修改,实际证明新工艺切实可行.关键词:轧辊失效,接触应力,有限元分析,残余应力场, . :., ., . , ,. . , .,.,.,., . , ,.,.,鹳. .,;, , :, . .: 打嚣,此页若属实。请研究生及导师签名,并装订在学位论文的摘要前。独创性声明本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特另以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表

5、示了谢意。研究生签名:整暨金堕日期丝:墨:乡关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定/.弓.加研究生。签名,:童兰受堂望童导师。签名,:键筮盛日期武汉理工大学硕士学位论文前言轧辊是轧钢生产中的重要部件之一【。在轧制生产中,轧辊与所轧金属直接接触,使金属产生塑性变形,是轧机大型消耗性部件,在整个生产过程中轧辊因磨损而消耗的部分约占轧辊总重量的%,而大量的轧辊是由于修复过程中产生的局部缺陷而在使用过程中导致报

6、废的【。每个轧钢厂每年都要消耗大量轧辊,由于消耗量大,轧辊价格昂贵,越来越引起技术人员和备件管理部门的重视【】。随着近年来对钢材质量要求的提高,轧制过程的强化,难变形金属及合金钢轧制的增加,对轧辊使用的条件要求也越来越严。通常要求轧辊芯部具有一定的韧性,以便承受扭转和弯曲应力;同时要求轧辊表面具有较深的耐磨层,并具有较高的耐疲劳强度。上述两方面的要求在冶金轧辊生产上往往是相互矛盾的。而轧辊的质量和使用寿命直接关系到轧机的生产效率、产品质量及生产成本。因此,如何提高轧辊的使用寿命己成为轧钢生产中提高生产率,降低消耗的重要课题。随着焊接技术的不断发展,焊接以其特有的优点进入轧辊修复业和制造业中,轧

7、辊堆焊是指在去除轧辊表面的疲劳层或缺陷后,采用合理的堆焊方法和工艺,在具有一定强度和韧性的廉价的辊芯材料上堆焊上一层硬度高、耐磨性好、耐疲劳性强的金属表面层【引。因此轧辊堆焊技术为轧钢生产中降低轧辊消耗、提高轧辊使用寿命提供了可能。采用堆焊方法修复的复合轧辊,不但成本低,而且能提高轧辊使用寿命,降低轧辊耗量,合理使用及节约合金元素,并能够提高轧机的作业率和产品的质量,是一种有效的技术经济措施。我国对轧辊需求量很大,因此,对轧辊失效机理及其修复技术进行研究具有重要意义【。.国内外研究现状分析.轧辊堆焊修复的国内外研究轧辊的失效形式主要表现在:磨损、裂纹、剥落、断裂等,文献?集中分析其失效的原因。

8、轧辊修复主要都是针对磨损来进行的,包括:堆焊修复、武汉理工大学硕士学位论文热喷涂修复、刷镀修复和激光熔覆修复,其中主要的修复技术是堆焊修复和热喷涂修复。堆焊修复是轧辊修复领域里研究最多的技术【”。早在世纪年代我国就开始使用堆焊方法修复轧辊。近年来,采用堆焊方法修复和制造了大批辊类零件,取得了明显的经济效益,在很多大中型钢铁企业得到广泛应用。就具体的修复工艺而言,我国从世纪年代起就发展用实芯合金焊丝堆焊修复轧辊,并收到了较好的效果,以后就得到广泛地应用。在世纪年代末年代初也开始逐步大量使用药芯焊丝进行轧辊埋弧堆焊修复。随着堆焊材料堆焊金属性能以及堆焊技术的不断改善及提高,轧辊的堆焊修复和制造已绝

9、不仅仅限于普通钢质轧辊【“”。国外开展轧辊堆焊工作比较早的国家是前苏联【】,始于世纪年代,开始主要是采用手工电弧堆焊方法修复轧辊,后来采用了埋弧自动堆焊技术。世纪年代以后,许多国家都致力于不断地改进轧辊堆焊材料并完善堆焊工艺及设备。目前,世界上工业发达国家普遍采用和发展了钢辊堆焊技术,采用多种类型的先进堆焊设备。这些设备的自动化程度高,堆焊效率高,能满足高质量堆焊钢辊的需要。如日本制造的平台式七丝卧式堆焊机床;前苏联的万能倾动机床等。目前轧辊堆焊已成为冶金企业降低成本,提高设备作业率的一种有效的技术手段。此外广泛应用于各种生产设备中的其它辊类零件和其它易损件的堆焊技术近年也取得了长足进步【】。

10、.接触应力的国内外研究现状两物体相互接触时,在表面上产生的局部压力叫做接触应力,它的发展经历了一个过程。年,.率先详细研究了法向载荷作用下弹性体之间的接触问题【引,他计算并用试验证明了接触区域上载荷的分布,根据牛顿势函数解出了弹性体内的应力。年,.经过一番艰苦卓越的算术积分得到了应力值。年后,.和.用带谐函数计算承受法向载荷的特殊半球体空间内的应力。几乎与此同时,和用分析和试验的方法研究了一种平面应力问题,该区域半平面范围内的一部分承受法向压力。年,.和.将赫兹解决对称轴上应力的方法变为椭圆积分,而且发现对称轴上的切应力在距接触区域中心向下一定的距离武汉理工大学硕士学位论文处为最大。他们关于切

11、应力的计算被试验检验是正确的。完全独立地用椭圆坐标系计算了半球体内任一点的应力。他的这项工作在对称轴上给出的结果与和得到的结果几近相同。年,.也得到了相似的解决压在平板上的圆柱体和球体问题的办法,并通过光测弹性试验证明了这个结果。然而,直到年,由于切向载荷的存在而造成的应力的影响还没有被研究者考虑。这一年,研究了一种普遍的关于两个半无限大物体之间弹性接触的理论。在他的理论当中,他介绍了三个势函数,这些函数与沿着直角坐标系三个轴的三个载荷分量相对应。这些与接触面相切的载荷分量可能被认为是接触表面的摩擦力。但他没有尝试找出除了法向载荷外由摩擦力产生的应力。年,.】研究了一个弹性体在另一个弹性体上滑

12、过的情况下接触区域切向载荷的分布,研究得出,由接触区界限内的切向载荷产生的应力是无限的,所以,即将滑移的趋势普遍存在。与此种情况相对应,作用于接触区域内一点上的切向力强度通常不会超过滑移面间摩擦系数与同一点处完成这个问题的法向压力之积。年月,.和 研究之后不久,.提出用方程解决同一问题他取摩擦系数为.的方法。两种不同方法单独得到的结果完全一致。在这篇论文中作者已将研究的结果延伸到解释应力在由塑性变形和疲劳产生的失效中的意义。通过“由切向及法向载荷在一个弹年,.和性体上产生的应力及其在一些接触应力问题上的应用”一文发表了他们先前研究的成果,这是继赫兹理论之后最完整的一套弹性体接触应力的计算方法【

13、】。年,在考虑接触体表面塑性变形情况下,和提出了一种用弹塑性理论求解应力状态的近似计算方法。年,和发表了一篇关于接触应力的模型的论文。.焊接残余应力数值模拟的国内外研究现状早期,预测焊接变形有所谓假想力法。此后就被一维解析的残余塑变法所代替。前苏联的.奥凯尔布朗姆用图解的形式分析了一维条件下焊接过程中的应力应变过程,对了解焊接应力与变形产生的原理和本质有重要的贡献,可以说至今它仍然是焊接应力与变形在教育领域的理论基础。早在世纪年代,前苏联学者奥觊尔布洛母等人在考虑材料机械性武汉理工大学硕士学位论文能与温度之间的相互依赖关系的情况下,用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程,并分析了

14、一维条件下对焊接应力应变的影响【。随着计算机和有限元等数值方法的发展,世纪年代以后,由于计算机技术的推广应用,对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。年,等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算,编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。世纪年代初,日本的上田幸雄等【】首先以有限元法为基础,提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论,导出了分析所需的各个表达式,从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。此后美国的.,.,.以及美国的.等【】在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作。加拿大的.掣 】对从熔点到室温时的焊接热应力进行了分析研究,提出了各个温度段的本

15、构方程。瑞典的.掣对大板拼接的焊接变形和应力进行了分析研究,特别是分析了焊缝前端间隙的变化和点固焊的影响。法国的. 】对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究.在世纪年代初,国内西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究工作【引。上海交通大学在年出版了“数值分析在焊接中的应用”专著【】,对当时国内外的研究成果作了介绍。世纪年代上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究,提出了改善计算精度和收敛性的若干途径,发展了有关的三维焊接分析程序并有不少成功的应用实例【.”】。在热弹塑性分析中引入相变的分析,日本的.,瑞典的.和加拿大的.等都进行过

16、研究。日本的.等研究了伴有相变的温度变化过程中,温度、相变、热应力三者之间的耦合效应,并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式。目前,随着焊接温度场、应力场和变形的深入研究,有限元技术的发展与应用以及近年来由于计算机技术的突飞猛进,已经有很多人进行焊接残余应力的数值模拟,其结果也初具成效【舶】。但焊接数值模拟存在的一些问题四:材料的热物理性数据不足 许多材料的热物理性比热容、导热系数、密度等数据在高温特别在接近熔化态时还是空白,某些材料仅有室武汉理工大学硕士学位论文温数据,这就给非线性计算带来困难。热源分布参数的确定电弧的有效加热半径及热量分布形式与焊接方法和参数有关,目前也缺乏系统而

17、准确的资料。焊接热源的热效率的选取 焊接热源热效率的选取也是提高计算精度的问题之一。目前这方面的资料比较分散,出入较大,必须根据实际焊接情况慎重选择。焊接熔池的处理 焊接热传导分析一般基于固体导热微分方程式,没有考虑焊接熔池内部液态金属的对流传热特点。.本文的来源和目的年,秦皇岛中板厂的两个支撑辊在使用过程中因磨损导至辊身尺寸减少而返回某厂修复,但是轧辊修复后使用仅个月,轧辊肩部就发生了剥落。本文将从组织成分、应力和工艺因素三方面分析轧辊端部剥落的原因,运用数值模拟的方法对轧辊堆焊焊接残余应力的变化过程进行预测,找出轧辊堆焊修复中存在的问题,然后制定新的堆焊修复工艺,以便今后为同类型的轧辊失效

18、提供一种可行的分析方法,也为此类轧辊的修复提供理论依据和技术上的借鉴。本课题运用大型通用有限元软件,考虑材料热物理性能参数与温度的非线性关系,实现焊接热源的移动,研究从轧辊表面沿径向到轧辊芯部方向的焊接残余应力的分布规律。获得的有限元分析结果有利于我们更准确地了解轧辊在堆焊修复和使用过程中的应力分布。这对于轧辊修复中的焊接材料选用、焊接工艺设计以及焊后热处理工艺设计等方面有指导作用,同时也有助于优化轧辊制造的结构设计和工艺设计,从而减少试验工作量,提高堆焊轧辊的质量,减少轧辊维修费用。武汉理工大学硕士学位论文失效轧辊基本情况轧辊材质:,化学成分见表?;表 的化学成分%陆、 材质. . . .

19、. . . . . .;原始辊径:失效时辊径: ;焊后热处理后的轧辊硬度:.左右;修复工艺:车去辊身剥落处表层金属,去除缺陷;采用埋弧堆焊,与基体接触的底层采用软层做过渡层焊丝.,噜.,焊剂,焊丝熔敷金属化学成分见表.,软层上再堆焊工作层焊丝 ,焊剂,.,焊丝熔敷金属化学成分见表.。表.焊丝.的熔敷金属化学成分%其它. . . .表 的熔敷金属化学成分%. . . 。 . .多. 郅. .附:堆焊层硬度焊后: ;热处理后:预热时缓慢升温至,保温个小时,用手弧焊焊补磨坑,焊工艺圈,焊完后再继续升温至,开始进行埋弧堆焊;先堆焊过渡层一至二层,厚度为;再堆焊工作层,当辊身直径堆焊至 时,为减少残余应

20、力进行一次中间热处理,升温速度为/时,温度升至,武汉理工大学硕士学位论文保温小时,缓冷至开炉,再次进行埋弧焊,直到其直径恢复到原始尺寸。层间温度最低。堆焊完成后,立即进行焊后热处理:升温速度为/,、时,温度升至,保温小时,缓冷至后出炉。修复后工作个月,修复过的辊身端部出现剥落见图.。图.辊身剥落部位示意图宏观检测:轧辊端部出现在宽约、深的剥落。剥落面的外观形貌如图所示,剥落面和基体接触的面由于载荷反复作用、与基体反复接触、磨损,表面比较光滑,呈高低不平的焊缝状。由轧辊肩部脱落下来的剥落块截面示意图如图所示。图.剥落面形态 图.轧辊剥落面示意图武汉理工大学硕士学位论文检测分析检测分析的目的是为了

21、确定剥落面的位置。.剥落块的检测.硬度检测在剥落块的截面上,用.型洛氏硬度计打硬度,为了减小测量误差,本文采用多次测量取平均值的方法,至少测量点,取平均值,硬度特殊高或者特殊低的点不计。从轧辊表面向剥落面的方向每隔打一个硬度,结果如图所示。畚加 噩轧辐衰面帕雁膏佃呻图剥落层中的硬度分布硬度检测结果表明:从轧辊表面到距表面距离处,硬度值较高且变化不大,从距表面处开始,随深度的增加,硬度下降,直到剥落面处。最低硬度达到。.相分析检测方法:从剥落块上用线切割切下一小块试样。根据厂胃?钢中残余奥氏体定量测定射线衍射仪法,利用/.型射线衍射仪进行相分析。检测结果:分析证实支撑辊表面即堆焊层表面为%马氏体

22、图武汉理工大学硕士学位论文.中图所示图谱,在剥落块厚度的中部,残余奥氏体含量达.%图中图所示图谱。表面之所以为%马氏体是因为由于支撑辊和工作辊之间反复撞击,应力诱使残余奥氏体转变为马氏体。在剥落表面上残奥等于零图.中图所示图谱。根据射线衍射的结果,剥落表面的组织为珠光体。图射线衍射图谱轧辊表面;剥落块截面中部;剥落面.组织和成分检测检测方法:利用型扫描电镜和/能谱仪对堆焊层金属的组织形态和成分进行分析。扫描电镜在试样的截面上从辊表面向剥落面进行观察。分析发现辊面以下范围内,晶粒较细,无明显的方向性图,可以认为武汉理工大学硕士学位论文是由于轧辊和工作辊之间反复作用的表面压应力而造成。再向下残余奥

23、氏体条虫状黑洞逐渐增多,焊缝组织有明显的方向性图. 、。再向下,离剥落断口约处到达过渡层,其组织与上面有明显不同,晶粒也比上面的小,这是由于过渡层和工作层所用的材料不同造成的。图. 。靠剥落面边缘的组织与图类似,放大后可见类似韧窝样组织图.。图.剥落层组织形态腐蚀剂: %的三氧化铬水溶液支撑辊表面;表面下约;表面下约:表面下约;离剥落断口约;剥落处边缘成分检测结果:工作层中的成分基本均匀,在工作层过渡到过渡层武汉理工大学硕士学位论文的区域,合金元素含量逐渐下降。剥落块截面上主要合金元素的分布如图.。元蠢含:哟 斟压轧辐寰面的砸佃呻图捌落块中的合金元素分布通过对剥落块进行硬度检测、相分析、微观分

24、析、成分检测,其结果表明:剥落发生在过渡层。.现场检测除剥落带外。对轧辊其余部位做了磁粉抽检,抽检面积约为辊身面积的/,未发现裂纹。探伤比例约为/,除剥落带有裂纹在区域,裂纹深衄一处外,其余辊身内未发现裂纹。.软层力学性能的检测用埋弧焊堆焊软层金属.,堆焊层高度为,长,宽。进行焊后热处理。用线切割方法在堆焊所得的软层熔敷金属中取样,然后进行机加工,制成软层的标准扭转试样,做扭转试验。试验结果显示,在载荷分别为和的条件下,试样发生屈服及扭断。根据材料力学【中的相关公式,可算得焊态软层材料的剪切屈服强度为.,抗扭强度即切断抗力%为.。武汉理工大学硕士学位论文接触应力分析在钢板的轧制过程中,虽然支撑

25、辊没有直接与轧件接触,但却承受着绝大部分弯曲力矩,并对轧线的正常运行起着重要的作用。一方面,支撑辊的更换时间长,特别是有事故发生时,对轧线的影响就更大。另一方面,支撑辊的成本高,支撑辊发生剥落事故,就会使支撑辊的有效使用率降低【。在轧制过程中,轧辊裂纹和剥落是轧辊尤其是硬面支撑辊失效的主要形式之一。缺陷的产生除了与轧辊内部存在的缩孔、夹杂及热处理不当等因素有关外,辊间接触应力也是导致轧辊剥落的主要原因。轧机支撑辊和工作辊之间承载时产生强大接触应力,为了防止接触疲劳破坏,目前国内外广泛采用赫兹接触理论来进行轧辊强度校核计算。.赫兹理论赫兹首先用计算弹性力学方法导出了两轴线平行的圆柱体之间接触问题

26、的计算公式。在未受压力之前,两轴线平行的圆柱体之间的接触为线接触,承受压力之后其接触为面接触,接触面形状为矩形【。赫兹公式是根据完全弹性体的静态接触条件得出的,通常被用来计算曲面接触副的弹性变形和应力场。在接触区域内,表面接触应力按半椭圆规律分布。为了简化实际接触问题的复杂性,他做了以下一些假定【】:两个接触体材料都是绝对均匀和各向同性的;发生的变形都在弹性极限以内,没有任何残余变形;两个接触表面都是绝对光滑的;不存在切向载荷,即不考虑摩擦力;接触面积比整个接触体要小的多:在表面之间不存在润滑剂。赫兹接触理论是根据完全弹性体的静态接触条件得出的,通常被采用作为点线接触副的设计依据【。对于工作辊

27、与支撑辊之间的承载接触,赫兹理论认为:半径分别为和长度为的两个均质弹性圆柱体在载荷作用下武汉理工大学硕士学位论文相接触,将产生一个宽为,长度为的矩形接触区如图.所示。图.接触区轧辊接触应力分布图中:?工作辊半径为:?支撑辊半径为;一法向力为;一辊身接触长度为:乙?正交剪应力;%?与轴成。的主剪应力;。?最大法向压应力;在接触区内产生局部的弹性压扁,存在呈半椭圆形分布的压应力。接触区应力状态如图所示,半径方向产生的法向压应力在接触面的中部达到最大值。最大压应力值: .露接触区的宽度为:孬武汉理工大学硕士学位论文:?.局最注:?为工作辊的弹性模量;?为支撑辊的弹性模量;?为材料的综合的弹性模量;求

28、出了和值,就可以计算出接触应力沿深度的分布。对于两个圆柱体呈线接触的情况,在轴上任一点的应力可按下列公式计算:一叫丽一却一三.盯一盯.盯一盯.圭?注:吒,吒?三个方向的主应力;二。?最大剪应力;?泊松比;根据这些公式可以求出各应力分量沿轴的变化,最大剪应力的深度在.处,其数值为.,因为其方向与轴成。,也可表示为%.最大剪应力的最大值可根据如下公式计算:。.衄。注:%。?与轴成。的主剪应力的最大值;以上的计算显然是一种简化的和近似的计算,为了获得更精确的结果,武汉理工大学硕士学位论文应当考虑在原假定条件中那些被排除掉的因素,这无疑是一个非常复杂和困难的研究课题。.法向与切向载荷共同作用下的接触应

29、力接触面上的法向力往往伴随切向摩擦力,摩擦力的存在,导致两弹性体中的接触应力显著地大于法向力单独作用时所产生的应力。此外,摩擦力与法向力的同时存在,导致应力的性质发生某些变化。在接触应力作用下可能影响接触疲劳破坏的切应力有两个:一个是与轴成。的主切应力;另一个是正交切应力。如图所示。自从最早建立了弹性体的接触理论以后,一直到世纪年代都未曾在接触应力的计算中考虑切向力的影响。到年,和发表了“由切向及法向载荷在一个弹性体上产生的应力及其在一些接触应力问题上的应力”一文。这是继理论之后最完整的一套弹性体接触应力的计算。方法【.首先计算接触面上呈椭圆分布的法向载荷所产生的应力,如图所示。舢一鼍产生旦宁

30、笪痧一等一彤%一垡 痧一彤,.。:一血矿%一芋矿其中:石武汉理工大学硕士学位论文一万.,:.屯一.注:,仃二?由法向载荷产生的正应力分量;刍?由法向载荷产生的正交剪应力;吒一?法向载荷所产生的最大应力;,图.单元体所受应力示意图法向载荷作用下切向载荷作用下.再求出也呈椭圆分布的切向载荷所产生的应力,如图所示。四%一等冰咖砌詈一矿一诺痧.%:一 少瓦。毕武汉理工大学硕士学位论文.%寺冉矾万丢却吵?。注:口,口二?由切向载荷产生的正应力分量;目?由切向载荷产生的正交剪应力;/?摩擦系致;.将法向与切向载荷所产生的应力叠加起来,便可得到总的接触应力。.口弘目瞄吒町注:?一泊松比。岂弛./. . .,

31、吐膏盥盥悃陶辩群图主应力和主切应力的分布情况图正交切应力的分布情况武汉理工大学硕士学位论文图?表示主应力吒、吒、吒和主切应力主吒一。在平面内的分布情况。由图可见,正应力即主应力都是在表面处最大,离开表面往深度方向即方向发展时则逐渐减小。但切应力%却不是这样,如上所述,其最大值位于离表面深度为.处,即在表层下大约接触面半宽度的/处,一.吒。;如图所示,正交切应力的最大值一在离开表面:.处,此处%一.计算结果运用公式.至公式计算得到、从表面沿轧辊径向的应力分布结果。的分布结果如图所示,图中的纵坐标代表最大剪切应力的大小。横坐标代表离轧辊表面的深度;的应力分布结果如图所示,图中纵坐标表示正交切应力的

32、大小,横坐标也代表离轧辊表面的深度?图铴的分布情况由公式可得,. .由.可知赫兹模式下最大剪应力值在离辊面.武汉理工大学硕士学位论文处。当深度的范围在内,在赫兹模式下,应用.理论,考虑表面切应力,计算得到剪切应力的范围如下式:.%.图.的分布情况由公式计算得到,正交切应力的最大值在轧辊表面:%.一.当深度的范围在内,根据公式.、.、.、?、?、?,得出”的范围如下式:.?.“一.由以上的计算式可以看出,在轧辊剥落范围即内,的值远大于,说明在剥落范围内产生裂纹主要由造成。.轧辊非均质对计算结果的影响无论是赫兹理论,还是理论,都是在同种材料、连续性假设下根据完全弹性体的静态接触条件推导出来的,未考

33、虑轧辊表面淬硬组织与芯部金属材料组织性能的差别对辊间接触应力分布的影响。工业生产表明,武汉理工大学硕士学位论文轧辊表面损伤破坏的实际情况与赫兹理论计算结果不完全一致【。因此,在实际分析中,对于一个给定的轧辊实体,轧辊均质是种理想化的假设,必须考虑轧辊淬硬层对辊内切应力的影响。文献【】考虑了轧辊不同淬硬深度对辊内切应力的影响。在材料均匀假设条件下,文中两轧辊材料弹性模量均取,泊松比.,单位长度负载/。根据赫兹公式,.。本文中两轧辊材料弹性模量均取为,泊松比.,单位长度的负载./,根据赫兹公式,一.。与上文提供的数据比较接近,具有可比性。淬硬深度对辊内切应力的影响结果如图.所示。垄善量,柚图.支撑

34、辊内切应力的分布曲线表示利用赫兹公式计算得到的结果曲线;曲线表示不考虑淬硬层轧辊为均质材料时的结果,此时剪应力峰值为,与赫兹公式的结果曲线非常接近;曲线、分别是淬硬层深度为、时的辊内剪应力分布,种工况下的模拟结果较为接近,最大峰值均在左右由于轧辊接触应力呈交变循环特性,而轧辊的疲劳强度会随淬硬层厚度而变化,因此满足该工况的最佳淬硬层厚度仍需进一步探讨;而当淬硬层厚度为时曲线,最大剪应力峰值高达,其最值大大超过了其他工况时的模拟结果。如图.所示,曲线、峰值随着淬硬深度的增加而减小,曲线随着距轧辊表面的距离的增加而趋于重合,在距离轧辊表面的地武汉理工大学硕士学位论文方,考虑淬硬层轧辊为非均质材料的

35、曲线、与不考虑淬硬层轧辊为均质材料的曲线之间的垂直间距代表其剪应力相差。本课题中淬硬层厚度为,可以保守地认为淬硬层会使剥落处切应力增大。也就是说,当淬硬层厚度磨损至时,即在到的范围内时,最大剪切应力的范围至少为.小结目前国内外广泛采用赫兹接触理论进行轧辊强度校核,但由于赫兹理论是在材料均匀、连续性假设下根据弹性力学推导出来的,因此,应用赫兹理论来分析辊间接触应力问题是属于近拟处理。本文正是运用赫兹理论,并在它的基础上考虑切向载荷即考虑摩擦力作用,考虑轧辊表面淬硬层组织与心部金属材料组织性能的差别对辊间接触应力分布的影响,得到在剥落位置的最大剪切应力范围为.。由上面计算得到的最大切应力的范围小于

36、软层材料的剪切屈服强度,理论上不会导致裂纹的产生。然而实际上剥落是显而易见的。这就是说还有其它尚未考虑的因素在影响剥落的形成。除接触应力外,对轧辊有影响的原因有二:第一,堆焊层金属还受到另外一个应力的作用?焊接残余应力;第二,轧辊是在接触疲劳载荷下工作,循环应力将会造成过渡层局部的积累损伤。武汉理工大学硕士学位论文焊接残余应力由于焊接过程的热作用,接头中的母材在局部区域经历着加热一冷却过程,不均匀的熟变形、高温塑性变形以及焊缝金属收缩等使得接头中产生应力,待接头完全冷却到室温后依然有应力存在,这种由于焊接热过程作用产生的应力称为焊接应力【】。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。由于焊

37、接生产中,绝大部分焊接方法都采用局部加热,所以不可避免地将产生焊接应力和变形。以往,对焊接温度场、应力和变形的分析都是通过实验的方法测量并采集数据,进行定量的分析。由于受实验各方面的限制,所得数据的精确度并不高而且浪费大量的人力、物力和时间。虽然这类问题可通过解析方法,解某些特定的微分方程组来进行定量计算,然而,只有在十分简单的情况下并且作许多简化的假设,才有可能求得这些方程闭和的解析解。而实际的焊接问题多种多样,边界条件十分复杂,用解析方法来求解这类微分方程是十分困难的。在高速电子计算机发展的今天,大多采用数值模拟的方法。采用这种方法可以详尽地掌握焊接应力和变形的产生和变化趋势,随着大型有限

38、元软件的开发和发展,这种方法被越来越多的焊接工作者以及研究学者采用。目前,国内外许多科研工作者在焊接过程的有限元分析方面做了大量的工作的,也取得了显著的成果。但是其分析内容主要集中在研究平板对接、平板堆焊等方面的温度场和沿轴线方向的焊接残余应力的分布,缺乏对环形堆焊焊缝的研究,尤其是对沿径向的焊接温度场和残余应力场分布规律的研究。.焊接残余应力产生的原因和过程焊接残余应力产生时的状况,在实际情况下是相当复杂的,其应力的大小与分布因焊接构件的形状、尺寸、焊接方法等不同而不同,就其产生原因及过程关系有下列三种情况【柏】:武汉理工大学硕士学位论文直接应力焊接时,焊接热源是移动的,对金属构件进行局部的

39、不均匀加热和冷却,在材料内某些部分就会存在温度梯度。在加热过程中不均匀的焊接温度场使金属热膨胀受阻,从而在加热区形成了局部的压缩塑性变形区;在冷却过程中,在加热时受压缩的塑性变形区的金属收缩受阻,从而在收缩区形成局部拉应力,它附近区域形成压应力不考虑相变应力时,这是焊接残余应力起主导作用的部分:间接应力这是焊前加工状况造成的,由于约束不同,不均匀的作用力及构件内部组织的浓度差或晶粒的位向差等,使各部分显示的不同的屈服行为而引起构件的不均匀变形产生了约束应力;相变应力当金属发生相变时,其比容将发生一个突变。如果相变在金属的塑性温度即金属已经丧失弹性,屈服极限为零时的温度以上发生,则比容的改变并不

40、影响焊后残余应力的分布;反之,当相变温度远低于塑性温度时,比容的改变将影响残余应力的分布,这种相变带来的应力,称之为相变应力。在不考虑相变应力的影响时,焊接过程中热源加热区金属受热发生膨胀,但受到附近低温区金属的刚性约束,于是形成压应力区,局部区域发生压缩塑性变形。热源撤离后焊缝金属降温,体积要收缩,塑性压缩区金属的收缩同样受到附近低温区金属的刚性约束,则形成拉应力区。已成型的焊缝单元随着冷却的进行,拉应力越来越大,直到应力峰值。在考虑相变应力对残余应力分布的影响时,当加热区冷却至材料的马氏体相变温度时,组织发生变化,奥氏体转变为马氏体,比容增大,不但抵消焊接时的部分压缩塑性变形,减少残余拉应

41、力,甚至可能出现较大的压应力。.建模正如前文所述,焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,能有效利用软件,实现焊接堆焊的温度场和应力应变场的有限元模拟,其中建立一个正确地有限元模型是非常重要的一环,一般来讲,有限元模拟原则上允许考虑几乎任何复杂的情况,但是实际上,资源和经济上的要求给予了限制,这就要求在建模时,重点考虑那些对结果有直接或重要影响的因素,适当考虑甚至忽略那些对计算结果只有间接或是次要影响的武汉理工大学硕士学位论文因素。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象,是进行有限元分析的基础。在中,建立轧辊堆焊的动态有限元模型包括确定几何模型、材料特性参数、单元类型、网格划分以及

42、移动热源等。下面将具体阐述以上几方面内容的关键技术。.几何模型的确定一般而言,在焊接过程中,焊接熔池、被焊工件之间均发生着剧烈的物理、化学反应,其中包括焊接熔池中的流体动力学和热过程,热源与金属间的相互作用焊接电弧物理、电弧作用于熔池表面的热能和压力分布、熔池表面的变形、液态金属的蒸发,还有氢、氮、氧在熔池及周围环境之间的配分等,焊缝金属凝固和焊接接头的相变过程,焊接应力应变发展过程以及非均质焊接接头的力学行为包括氢的扩散、裂纹的产生倾向等。每一种现象互相关联但又各自自成一体,而具体到本课题的内容刚着重分析焊接结构的温度场和应力应变场的瞬态变化情况。因而,在进行有限元模拟时,应该弱化处理甚至不

43、处理那些对温度场、应力应变场影响微弱的因素。例如,针对焊接熔池中的流体动力学和热过程,可以仅考虑熔池内部液态金属对流传热对熔池形状的影响结果,而对其中液态金属具体如何流动以及表面张力梯度如何变化等问题不做细致分析。本课题中轧辊堆焊修复工艺为:采用埋弧焊,与基体接触的底层采用软层傲过渡层焊丝.,.,焊剂,软层上再堆焊工作层焊丝,.,焊剂,直到其直径恢复到原始尺寸。轧辊堆焊实体示意图如图.示。图 支撑辊辊身堆焊简图武汉理工大学硕士学位论文考虑到由于轧辊的实际尺寸比较大,模型的节点、单元数目较为庞大,使得计算时间过长,计算结果数据巨大,所需的硬盘存储空间大。需根据微型配置低、硬盘空间小等特点,参照相

44、似性原理,将轧辊的尺寸作合理的缩小,以适应在个人微型计算机进行有限元分析。本论文要研究的是分析轧辊从堆焊表面沿直径方向的温度分布规律,并在温度场基础上分析残余应力场的分布,二维分析模型就能满足需求。根据上述分析,将模型简化为二维单层焊模型。相对于母材和工作层的尺寸,过渡层的尺寸十分的薄,在建立实体模型时可以忽略,根据简化状况创建分析模型如图:中间的圆形区域代表母材基体,外层圆环区域代表焊缝层。图.有限元实体模型.材料特性参数有限元模型的构建与求解都与材料的物理性能参数息息相关,而这些物理性能参数都是随温度的变化而变化的,而且是非线性的,这使得焊接过程的数值模拟变得非常复杂。材料的热物理性能参数

45、的不齐全是阻碍焊接热过程的有限元数值模拟技术发展的因素之一。大部分材料的热物理性能参数比热容、导热系数、杨氏模量、密度等目前只测得常温或低温范围的数据,由于测试方法和手段的限制,高温阶段的参数数据较少,接近于熔化温度及熔化状态时的参数几乎还是空白。通用性手册给出的大都是室温下的材料性能参数,只能满足室武汉理工大学硕士学位论文温或略高于室温条件下的设计计算,根本不能适用于具有急速温度变化的焊接过程的有限元分析计算。早期的处理方法是使用常温下的参数作为平均值代入计算,之后发展为通过实验测定几组在特定温度下热物理性能参数,再使用线性插值方法求出其它温度下的数据。这些方法都会产生较大的偏差,会导致分析

46、计算的不准确,甚至使计算不能收敛。目前,随着计算机软件的发展,出现了数款用于计算材料热物理参数的软件,如软件。是一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件,可以用来计算金属材料多相平衡与多种性能。它是一个基于材料类型的软件,不同的材料类型有不同的模块。根据材料成分可以计算出凝固过程中随温度变化的性能,包括:比热、焓、潜热、密度;热膨胀系数、体积变化:导热性、电导/电阻性;液相的粘性及扩散速率;杨氏/体积/剪切模量、泊松比。的独特优势是它能够计算合金中每一个相的性能数据。所采用的物理模型准确的描述了这些性能对相成分和温度的依赖性。它还可以通过计算获得材料焊态时的热物理常数,可以反映出材料在

47、降温过程中晶粒发生相变时的性能变化。.根据母材表.和.熔敷金属表.、熔敷金属表.的化学成分。通过软件,计算随温度变化的热物理性能参数数据。使用软件计算母材的热物理参数,关于母材,因为只有极少的一部分被加热至熔化,参与焊接熔池反应,所以文中选择其充分扩散时即平衡态的的物理常数,得到各项参数随温度变化的曲线如下所示:、密度曲线图. 、导热系数曲线图.、杨氏模量曲线图.比热容曲线图. 、泊松比曲线图 等。武汉理工大学硕士学位论文 .鲁.暑百山图母材随温度变化的热物理性能参数密度曲线;导热系数曲线;杨氏模量曲线:比热容曲线;泊松比曲线武汉理工大学硕士学位论文根据母材随温度变化的热物理性能参数曲线图.,

48、选择数个温度点以及与之对应的热物理性能参数数值,见表.。表.母材与温度对应的热物理性能参数温度 / /? 玎. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .“. . . . . . .表中:为温度:为弹性模量;为泊松比;为密度;为导热系数;为比热容。使用软件计算堆焊层材料 一的热物理参数,文中对于堆焊材料选择非充分扩散时的物理常数是因为堆焊材料在冷却过程中发生了明显的马氏体相变,得到各项参数随温度变化的曲线:密度曲线图 、导热系数曲线图“、杨氏模量曲线图 、比热容曲线图、泊松比曲线图、热焓曲线图、切变模量曲线图“、屈服强度曲线图.、热膨

49、胀系数曲线图等。武汉理工大学硕士学位论文一茸,.台罩。.量巴茸;暮譬言曼.埘 言.奢.;忙二? 憎暑奢暑一武汉理工大学硕士学位论文言皂号妻?,?一?一/窖各;,;,。”“”“”“【图熔敷金属 .随温度变化的热物理性能参数密度曲线;热传导系数曲线;杨氏模量曲线;比热容曲线;泊松比曲线;热焓曲线;切变模量曲线;屈服强度曲线;热膨胀系数曲线根据.熔敷金属随温度变化的热物理性能参数曲线图.选择数个温度点以及与之对应的热物理性能参数数值,见表.。表禾 .熔敷金属与温度对应的热物理性能参数 日岍 。/ / /?/. . . . . . . . . . . . . . .武汉理工大学硕士学位论文续表. .

50、. . . . . . . . . . . . ?. . . . 一. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .表中:为温度;为弹性模量;为泊松比;为密度;为导热为屈服强度;为热膨胀系数;系数;为比热容;为切变模量;为热焓。众所周知,在焊接热源的作用下,局部母材金属发生熔化,在熔化时要武汉理工大学硕士学位论文吸收相变潜热;当焊接热源离开时,已熔化的液态金属