焊接殘余應(yīng)力及VSR工藝剪

1、內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：1 焊接接頭的殘余應(yīng)力2 振動時效的消應(yīng)力原理3 用振動時效替代熱時效的原則與技術(shù)要求4 振動時效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)5 應(yīng)用振動時效的構(gòu)件設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)1.1 1.1 焊接接頭的特性焊接接頭的特性1.2 1.2 焊接殘余應(yīng)力的形成過程焊接殘余應(yīng)力的形成過程1.3 1.3 一般接頭的殘余應(yīng)力分布一般接頭的殘余應(yīng)力分布1.4 1.4 殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響1.5 1.5 常用消應(yīng)力技術(shù)常用消應(yīng)力技術(shù)屈服屈服強(qiáng)度強(qiáng)度（MPa）溫度溫度600400200實(shí)際曲線實(shí)際曲線簡化曲線簡化曲線1.2 焊接殘余應(yīng)力的形成過程焊接殘余應(yīng)力的形成過程溫度溫度500時間時間時間時間

2、應(yīng)力應(yīng)力MPa600-ss-s加熱膨脹受拘束產(chǎn)生溫度應(yīng)力（壓應(yīng)力）壓縮屈服變形加熱膨脹受拘束產(chǎn)生溫度應(yīng)力（壓應(yīng)力）壓縮屈服變形冷卻收宿受拘束產(chǎn)生殘余應(yīng)力（拉應(yīng)力）拉伸屈服變形冷卻收宿受拘束產(chǎn)生殘余應(yīng)力（拉應(yīng)力）拉伸屈服變形焊接方向焊接方向1100800500300250600500300200-10-8-6-4-202468100200400600800溫度位置cmABCDA600500600500BCD平板堆焊的應(yīng)力演變過程平板堆焊的應(yīng)力演變過程-10-8-6-4-202468100200400600800溫度位置cmABCABC焊縫各截面中的縱向殘余應(yīng)力（焊縫各截面中的縱向殘余應(yīng)力（x）的

3、分布）的分布不同長度焊縫中的縱向殘余應(yīng)力不同長度焊縫中的縱向殘余應(yīng)力（x）的分布的分布ss1.3 一般接頭的殘余應(yīng)力分布一般接頭的殘余應(yīng)力分布塑性變形帶寬塑性變形帶寬Bp筒體筒體半徑半徑R板厚板厚 由于圓筒環(huán)焊縫的半徑在焊接后縮小，由于圓筒環(huán)焊縫的半徑在焊接后縮小，焊縫比在平板上有更大的自由度，故縱向焊縫比在平板上有更大的自由度，故縱向殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力xx一般比平板上的低。應(yīng)力大小一般比平板上的低。應(yīng)力大小取決于圓筒半徑取決于圓筒半徑R R、壁厚、壁厚以及塑性變形區(qū)以及塑性變形區(qū)寬度寬度bpbp。當(dāng)壁厚不變，。當(dāng)壁厚不變， xx隨隨R R的減小而降的減小而降低，隨低，隨 bpbp的減小而增加。

4、的減小而增加。 例：例： 50mm50mm、R R700mm700mm、埋弧自動、埋弧自動焊，故縱向殘余應(yīng)力平均值焊，故縱向殘余應(yīng)力平均值xx124MPa124MPa。02004006008001000-0.20.00.20.40.60.8x/Ep圓筒半徑R,mmbp12bp20bp30bp40bp50bp80筒體半徑筒體半徑R，mmx/Ep02004008006000。810000。20。40。60縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力縱縱向向應(yīng)應(yīng)力力x引起的橫向應(yīng)力引起的橫向應(yīng)力y-+-x/3syy拘束條件對橫向應(yīng)力的影響拘束條件對橫向應(yīng)力的影響-125MPa240MPa230MPa280MPa125MPa85

5、MPa420MPa厚度向厚度向應(yīng)力應(yīng)力z縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力x橫向應(yīng)力橫向應(yīng)力y厚板焊接的三向殘余應(yīng)力厚板焊接的三向殘余應(yīng)力(10Cr2Mo)ZYX對靜強(qiáng)度的影響：對靜強(qiáng)度的影響： 對塑性材料影響不明顯，但三軸拉應(yīng)力時對塑性材料影響不明顯，但三軸拉應(yīng)力時有不利影響；有不利影響； 對脆性材料有不利影響。對脆性材料有不利影響。對機(jī)加工精度的影響：對機(jī)加工精度的影響： 由于殘余應(yīng)力的不穩(wěn)定性造成構(gòu)件的尺寸由于殘余應(yīng)力的不穩(wěn)定性造成構(gòu)件的尺寸不穩(wěn)定。不穩(wěn)定。對抗應(yīng)力腐蝕性能的影響：對抗應(yīng)力腐蝕性能的影響： 有影響；與材料及作用時間相關(guān)。有影響；與材料及作用時間相關(guān)。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定性的影響：殘余應(yīng)力

6、對受壓桿件穩(wěn)定性的影響： 一般影響不明顯，但對翼緣的寬度與厚度一般影響不明顯，但對翼緣的寬度與厚度比（比（B/b)較大的較大的H型截面，其局部失穩(wěn)會型截面，其局部失穩(wěn)會引起整體失穩(wěn)；殘余應(yīng)力將通過這一因素引起整體失穩(wěn)；殘余應(yīng)力將通過這一因素起作用。起作用。Bb對剛度的影響：對剛度的影響： 加載造成殘余應(yīng)力的釋放，對運(yùn)行的前期加載造成殘余應(yīng)力的釋放，對運(yùn)行的前期有影響。有影響。PL1L2G1G2剛度剛度:G=tgP/LG1G2 對疲勞壽命的影響：對疲勞壽命的影響： 對對min/max比值較低的有影響；比值較低的有影響； 消應(yīng)力可以提高疲勞壽命；消應(yīng)力可以提高疲勞壽命； 殘余應(yīng)力在應(yīng)力集中較高時影

7、響更大。殘余應(yīng)力在應(yīng)力集中較高時影響更大。Lg(N)d106107消應(yīng)力消應(yīng)力 整體高溫回火整體高溫回火 局部高溫回火局部高溫回火 機(jī)械拉伸機(jī)械拉伸 溫差拉伸溫差拉伸 振動振動振動傳感器橡膠墊構(gòu)件激振器振動主機(jī)偏心塊 1）第一類應(yīng)力宏）第一類應(yīng)力宏觀應(yīng)力：在整個斷面觀應(yīng)力：在整個斷面平衡的應(yīng)力；如地鐵平衡的應(yīng)力；如地鐵列車啟動時的乘客分列車啟動時的乘客分布密度。布密度。 可以通過振動時效降低三類內(nèi)應(yīng)力；可以通過振動時效降低三類內(nèi)應(yīng)力；振動振動時效實(shí)質(zhì)是以機(jī)械的振動方式對工件施加時效實(shí)質(zhì)是以機(jī)械的振動方式對工件施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后其總應(yīng)力達(dá)

8、到或超過某一數(shù)值后，在應(yīng)力其總應(yīng)力達(dá)到或超過某一數(shù)值后，在應(yīng)力集中的地方超過金屬材料屈服強(qiáng)度時，工集中的地方超過金屬材料屈服強(qiáng)度時，工件內(nèi)部發(fā)生宏觀和微觀的塑性變形包辛件內(nèi)部發(fā)生宏觀和微觀的塑性變形包辛格效應(yīng)，從而降低了該點(diǎn)殘余應(yīng)力的峰值，格效應(yīng)，從而降低了該點(diǎn)殘余應(yīng)力的峰值，使應(yīng)力均勻化，金屬的抗變形能力提高。使應(yīng)力均勻化，金屬的抗變形能力提高。 vpv 振動動應(yīng)力與宏觀殘余應(yīng)力疊加，合成應(yīng)振動動應(yīng)力與宏觀殘余應(yīng)力疊加，合成應(yīng)力大于彈性極限時造成屈服，使高應(yīng)力下力大于彈性極限時造成屈服，使高應(yīng)力下降，應(yīng)力均化，尺寸穩(wěn)定性提高降，應(yīng)力均化，尺寸穩(wěn)定性提高。特別在特別在應(yīng)力集中部位有可能形成較大

9、拉應(yīng)力屈服應(yīng)力集中部位有可能形成較大拉應(yīng)力屈服區(qū)外應(yīng)力卸載后形成壓應(yīng)力保護(hù)區(qū)，提區(qū)外應(yīng)力卸載后形成壓應(yīng)力保護(hù)區(qū)，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；在振動時效的前期這高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；在振動時效的前期這種效應(yīng)起主要作用。種效應(yīng)起主要作用。 振動動應(yīng)力與微觀應(yīng)力疊加；特別在應(yīng)力振動動應(yīng)力與微觀應(yīng)力疊加；特別在應(yīng)力集中部位形成較大的剪應(yīng)力，造成滑移屈集中部位形成較大的剪應(yīng)力，造成滑移屈服；使晶粒由不穩(wěn)定狀況進(jìn)入穩(wěn)定狀況，服；使晶粒由不穩(wěn)定狀況進(jìn)入穩(wěn)定狀況，高的二類應(yīng)力下降，應(yīng)力均化，組織穩(wěn)定高的二類應(yīng)力下降，應(yīng)力均化，組織穩(wěn)定性提高。振動時效中后期，當(dāng)宏觀殘余應(yīng)性提高。振動時效中后期，當(dāng)宏觀殘余應(yīng)力與動應(yīng)力的疊加

10、值已明顯低于屈服強(qiáng)度力與動應(yīng)力的疊加值已明顯低于屈服強(qiáng)度時，這種效應(yīng)仍起作用，通過微觀屈服的時，這種效應(yīng)仍起作用，通過微觀屈服的積累，形成振動時效效果。積累，形成振動時效效果。 振動能促使位錯移動，位錯移動減弱畸變振動能促使位錯移動，位錯移動減弱畸變的比例，晶粒的穩(wěn)定性提高；部分位錯移的比例，晶粒的穩(wěn)定性提高；部分位錯移動到晶界，且由于位錯的釘扎作用，使材動到晶界，且由于位錯的釘扎作用，使材料的強(qiáng)度上升，從而也擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的彈性料的強(qiáng)度上升，從而也擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的彈性工作區(qū)間。工作區(qū)間。PVPVLDP/(4D2)= BA非線性狀況非線性狀況ABCED應(yīng)變應(yīng)變2等效應(yīng)力等效應(yīng)力下降應(yīng)力下降應(yīng)力動態(tài)應(yīng)力

11、動態(tài)應(yīng)力母材母材焊縫中心焊縫中心線彈性狀況線彈性狀況動態(tài)應(yīng)力動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變1振動時效振動時效熱時效熱時效消應(yīng)力消應(yīng)力消應(yīng)力、消應(yīng)力、去氫、恢復(fù)塑性去氫、恢復(fù)塑性效果：效果：20205050效果：效果：40408080適合大型重型構(gòu)件適合大型重型構(gòu)件尺寸受爐膛限制尺寸受爐膛限制周期短（幾十分鐘）周期短（幾十分鐘）周期長（數(shù)十個小時）周期長（數(shù)十個小時）無污染無污染有污有污無表面氧化無表面氧化表面氧化表面氧化工藝變形小工藝變形小工藝變形較大工藝變形較大不適合需低溫韌性的構(gòu)件不適合需低溫韌性的構(gòu)件不適合異種金屬構(gòu)件不適合異種金屬構(gòu)件應(yīng)應(yīng)力力(Mpa)熱熱時效時效振動時效振動時效時間：時間：振動時效

12、分鐘振動時效分鐘；熱時效小時熱時效小時彈性極限彈性極限/ /原始?xì)堄鄳?yīng)力水平原始?xì)堄鄳?yīng)力水平( (MpaMpa) )彈性工作帶寬彈性工作帶寬( (MpaMpa) ) 僅考慮以尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的時效工藝；僅考慮以尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的時效工藝； 消應(yīng)力效果為消應(yīng)力效果為20205050； 無去氫、恢復(fù)塑性的功能。無去氫、恢復(fù)塑性的功能。1:1:機(jī)械電子工業(yè)部于機(jī)械電子工業(yè)部于19911991年年1111月月2727日批日批準(zhǔn)，準(zhǔn)，19921992年年7 7月月1 1日實(shí)施的（日實(shí)施的（JB/T5926-JB/T5926-9191）；20032003年將頒布修改標(biāo)準(zhǔn)。年將頒布修改標(biāo)準(zhǔn)。2:2:機(jī)械研究

13、院機(jī)械研究院20032003年將頒布焊接構(gòu)件的年將頒布焊接構(gòu)件的振動時效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)振動時效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)附錄的內(nèi)容：標(biāo)準(zhǔn)附錄的內(nèi)容： 非熔化焊結(jié)構(gòu)的振動時效可參考本標(biāo)準(zhǔn)；非熔化焊結(jié)構(gòu)的振動時效可參考本標(biāo)準(zhǔn)； 接頭應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)小于接頭應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)小于2.82.8； 振動時效無去氫和恢復(fù)塑性的功能不易用振動時效無去氫和恢復(fù)塑性的功能不易用于有抗脆斷要求的材料；于有抗脆斷要求的材料； 可與振動焊接、熱時效、焊趾錘擊可與振動焊接、熱時效、焊趾錘擊/ /焊趾超焊趾超聲波沖擊等工藝組合應(yīng)用；聲波沖擊等工藝組合應(yīng)用； 矯形到位后再進(jìn)行振動時效，可以采用預(yù)矯形到位后再進(jìn)行振動時效，可以采用預(yù)應(yīng)力的振動矯形；應(yīng)力的振動矯形； 對重要產(chǎn)品的振動時效工藝應(yīng)先進(jìn)行振動對重要產(chǎn)品的振動時效工藝應(yīng)先進(jìn)行振動時效工藝評定；時效工藝評定； 振動時效工藝滿足構(gòu)件運(yùn)行特征；振動時效工藝滿足構(gòu)件運(yùn)行特征； 材料有良好的塑性；材料有良好的塑性； 結(jié)構(gòu)幾何