焊接殘余應(yīng)力

1、會(huì)計(jì)學(xué)1焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力第1頁(yè)/共44頁(yè)一、殘余應(yīng)力的基本概念1 1、定義、定義 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力：當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力的因素不存在時(shí)（如外力去除、溫度已均勻、相變結(jié)束等），由于材料內(nèi)部不均勻塑性變形（包括由溫度及相變等引起的不均勻體積變化），致使材料內(nèi)部依然存在并且自身保持平衡的彈性應(yīng)力稱(chēng)為殘余應(yīng)力，或者內(nèi)應(yīng)力。簡(jiǎn)單說(shuō)就是沒(méi)有外力或外力矩作用而在物體內(nèi)部存在并自身保持平衡的應(yīng)力。2 2、內(nèi)應(yīng)力分類(lèi)、內(nèi)應(yīng)力分類(lèi) 1973年 Macherauch提出了新的內(nèi)應(yīng)力模型 ，將內(nèi)應(yīng)力分為三類(lèi)，即第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力、第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力和第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力。第2頁(yè)/共44頁(yè)3 3、什么是殘余應(yīng)力、什么是殘余應(yīng)力u國(guó)內(nèi)科技文獻(xiàn)習(xí)慣

2、將于第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為殘余應(yīng)力 第3頁(yè)/共44頁(yè)二、焊接殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生1、焊接殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力 定義：構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)之為焊接應(yīng)力，焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱(chēng)之為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是由于焊接加熱產(chǎn)生不均勻溫度場(chǎng)引起的。 2、變形、變形 定義：物體在外力或溫度等因素作用下，其形狀與尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。第4頁(yè)/共44頁(yè)3 3、焊接殘余應(yīng)力的影響因素、焊接殘余應(yīng)力的影響因素焊接應(yīng)力熱源周?chē)慕饘龠\(yùn)動(dòng)構(gòu)件形狀尺寸厚度及剛度外拘束度內(nèi)拘束度相變屈服強(qiáng)度彈性模量熱膨脹系數(shù)溫度場(chǎng)邊界條件，夾持狀態(tài)工藝措施預(yù)熱，緩冷材料特性，熱物理常數(shù)，力學(xué)性能結(jié)構(gòu)因素制造因素材料因素?zé)彷斎氲?

3、頁(yè)/共44頁(yè) 焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區(qū)熔化； 而與熔池毗鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹則受到周?chē)牧系南拗?，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形； 在冷卻過(guò)程中，已發(fā)生塑性變形的這部分材料(如長(zhǎng)焊縫的兩側(cè))又受到周?chē)鷹l件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上被拉伸形成拉應(yīng)力； 與此同時(shí)，熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時(shí)也將產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力。 這樣，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，與其相對(duì)應(yīng)，在構(gòu)件中會(huì)形成自身相平衡的內(nèi)應(yīng)力，通稱(chēng)為焊接瞬態(tài)應(yīng)力。 而焊后，在室溫條件下殘留于焊件中的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為焊接殘余應(yīng)力。第6頁(yè)/共44頁(yè)三、焊接殘余應(yīng)力的分類(lèi)1.按應(yīng)力的分布范圍圍平衡的應(yīng)力超微觀(guān)應(yīng)力：在晶

4、格范內(nèi)相互平衡的應(yīng)力微觀(guān)應(yīng)力：在晶粒范圍范圍平衡的應(yīng)力宏觀(guān)應(yīng)力：在整個(gè)焊接. 3. 2. 12.根據(jù)結(jié)構(gòu)中的空間位置zyxyxx、的三個(gè)方向作用三向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件、的兩個(gè)方向作用雙向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的一個(gè)方向作用單向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件. 3. 2. 1第7頁(yè)/共44頁(yè)3.根據(jù)應(yīng)力與焊縫的相對(duì)位置4.根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生、作用的時(shí)間5.根據(jù)應(yīng)力形成的原因向與焊縫垂直橫向應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫平行縱向應(yīng)力：應(yīng)力作用方. 2. 1焊件內(nèi)的應(yīng)力殘余應(yīng)力：焊后殘留在一瞬時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力瞬時(shí)應(yīng)力：焊接過(guò)程某. 2. 1引起的應(yīng)力屬組織轉(zhuǎn)變時(shí)體積變化組織應(yīng)力：由于接頭金力變形受到拘束引起的應(yīng)拘束應(yīng)力：由于焊件熱均勻加

5、熱引起的應(yīng)力溫度應(yīng)力：由于焊件不. 3. 2. 1第8頁(yè)/共44頁(yè)四、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法在現(xiàn)有的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量方法中，按照其對(duì)被測(cè)構(gòu)件的損傷程度可分為有損（機(jī)械法）和無(wú)損（物理法）這兩大類(lèi)。第9頁(yè)/共44頁(yè)第10頁(yè)/共44頁(yè)（1）鉆孔法（小孔釋放法） 小孔釋放法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力是由德國(guó)學(xué)者J.Mathar于1934年提出的，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量方便、對(duì)構(gòu)件損傷程度小等特點(diǎn)。根據(jù)鉆孔是否鉆通，小孔釋放法又可分為通孔法和盲孔法。 小孔釋放法重要的一點(diǎn)是應(yīng)變釋放系數(shù)A、B的確定，通孔法應(yīng)變釋放系數(shù)可由Kirsch理論直接計(jì)算出，盲孔法應(yīng)變釋放系數(shù)則需用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。 第11頁(yè)/共4

6、4頁(yè)鉆孔法原理 在應(yīng)力場(chǎng)中鉆小孔，應(yīng)力的平衡受到破壞，則小孔周?chē)膽?yīng)力將重新調(diào)整，測(cè)得小孔附近的彈性應(yīng)變?cè)隽?，就可以用彈性力學(xué)原理推算出小孔處的殘余應(yīng)力。 對(duì)于厚度大的板或體型厚度大的板或體型構(gòu)件，可采用盲孔法盲孔法測(cè)定殘余應(yīng)力，其操作方法與通孔法一致，只是盲孔深度要稍大于盲孔直徑，求得的殘余應(yīng)力是盲孔深度上的平均值，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到某一尺寸時(shí)，繼續(xù)增加鉆孔深度就不在影響表面應(yīng)力狀態(tài)了。國(guó)外Bathgate、Kelsey等人都用實(shí)驗(yàn)證明了當(dāng)鉆孔深度等于孔徑時(shí)，在表面上得到最大的釋放值，此時(shí)釋放系數(shù)與其后鉆孔深度就沒(méi)有關(guān)系了。第12頁(yè)/共44頁(yè) 在加載方向的徑向應(yīng)力分布左圖所示。若在鉆孔前將一應(yīng)變

7、片粘貼在受有應(yīng)力的板上，距孔邊0.5到1.5d（為孔徑）處，鉆孔時(shí)應(yīng)變片將感受出因應(yīng)力降低產(chǎn)生的應(yīng)變（圖2中陰影所示），這個(gè)應(yīng)變顯然和孔邊的應(yīng)力釋放有關(guān)。 鉆孔引起的彈性徑向釋放應(yīng)力鉆孔引起的彈性徑向釋放應(yīng)力第13頁(yè)/共44頁(yè)盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力應(yīng)變片示意圖盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力應(yīng)變片示意圖第14頁(yè)/共44頁(yè)釋放應(yīng)力計(jì)算公式22131321311()(2)44AB22132132131()(2)44AB213312tan2第15頁(yè)/共44頁(yè)通孔應(yīng)變釋放系數(shù)A、B可由Kirsch理論解得到下面的公式；盲孔法應(yīng)變釋放系數(shù)則需由標(biāo)定試驗(yàn)確定。21 2124dAErr 222211 22221 212112

8、44drrrrdBErrr r 盲孔法應(yīng)變釋放系數(shù)A、B計(jì)算公式：231A231B第16頁(yè)/共44頁(yè)小孔法測(cè)試設(shè)備鉆孔裝置鉆孔裝置 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀 第17頁(yè)/共44頁(yè) 將待測(cè)焊件劃分幾個(gè)區(qū)域，在各區(qū)待測(cè)點(diǎn)上貼應(yīng)變片或加工機(jī)械引伸計(jì)的標(biāo)距孔，然后測(cè)原始讀數(shù)，再切斷，然后在讀數(shù)。（2）切條法第18頁(yè)/共44頁(yè)（3）X射線(xiàn)法 X射線(xiàn)衍射法是目前最為成熟而且應(yīng)用范圍也最為廣泛的測(cè)量結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力方法，其優(yōu)點(diǎn)如下：n （1）理論成熟，測(cè)量精度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。n （2）由于X射線(xiàn)對(duì)材料的透射深度十分小，測(cè)定的表面層深度僅為10-35um，因此測(cè)定的是材料表面的應(yīng)力狀態(tài)，不會(huì)改變材料

9、的狀態(tài)，屬于無(wú)損測(cè)量。 n （3）可適用于精確測(cè)定應(yīng)力沿層深的分布，但此時(shí)該方法不再是無(wú)損的，需要與其他剝除方法配合，逐層測(cè)定。第19頁(yè)/共44頁(yè)由于X射線(xiàn)的穿透能力有限，所測(cè)得的僅僅是表層應(yīng)力，而垂直于表層的應(yīng)力分量為零，所以它測(cè)得的總是二維應(yīng)力。 X射線(xiàn)法對(duì)表面狀態(tài)敏感。X射線(xiàn)法的局限性第20頁(yè)/共44頁(yè)X衍射應(yīng)力分析的基本原理布拉格定律： 2dSin = n通過(guò)X射線(xiàn)衍射得到衍射角2依據(jù)布拉格定律可以求出晶面間距 d選定的晶面法線(xiàn)方向與晶面間距選定的晶面法線(xiàn)方向與晶面間距 衍射晶面方位角和應(yīng)力方向平面衍射晶面方位角和應(yīng)力方向平面第21頁(yè)/共44頁(yè)即一定波長(zhǎng)的X射線(xiàn)照射到晶體材料上，相鄰兩

10、個(gè)原子面衍射時(shí)的X射線(xiàn)光程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。通過(guò)測(cè)量衍射角變化從而得到晶格間距變化d，根據(jù)虎克定律和彈性力學(xué)原理，計(jì)算出材料的殘余應(yīng)力。假定被測(cè)材料為晶粒不粗大、無(wú)織構(gòu)的多晶體，在一束X射線(xiàn)照射范圍內(nèi)應(yīng)該有足夠多的晶粒，而且所選定的（h k l）晶面的法線(xiàn)在空間呈均勻連續(xù)分布。第22頁(yè)/共44頁(yè)確定若干個(gè)衍射晶面法線(xiàn)它們分別對(duì)應(yīng)于許多晶粒多晶體晶粒細(xì)小，在一束X光照射范圍內(nèi)有許許多多晶粒；無(wú)織構(gòu)，結(jié)晶學(xué)方向充分紊亂。每條法線(xiàn) N0,N1N4分別對(duì)應(yīng)的晶面間距為d0,d1d4如果測(cè)得晶面間距從d0到d4依次增大可以推斷材料中存在拉應(yīng)力；如果測(cè)得晶面間距從d0到d4依次減小可以推斷材料中存在壓

11、應(yīng)力；如果測(cè)得晶面間距從d0到d4大體相等可以推斷材料中基本無(wú)應(yīng)力；第23頁(yè)/共44頁(yè)應(yīng)力計(jì)算公式第24頁(yè)/共44頁(yè)X射線(xiàn)法測(cè)試設(shè)備MGR40P殘余應(yīng)力儀 DJP-型電解拋光機(jī)第25頁(yè)/共44頁(yè)五、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響1、對(duì)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的影響：塑性材料：材料有足夠的塑性，能進(jìn)行塑性變形，使應(yīng)力均勻化，無(wú)影響。脆性材料：材料不能夠發(fā)生塑性變形使應(yīng)力均勻化，因而應(yīng)力峰值不斷增加，一直達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度，材料發(fā)生局部破壞。第26頁(yè)/共44頁(yè)2.對(duì)構(gòu)件加工尺寸精度的影響： 焊件在不經(jīng)過(guò)焊后消應(yīng)力處理，內(nèi)部存在著相互平衡的應(yīng)力，當(dāng)進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，如切削掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會(huì)重新變形

12、（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布來(lái)保持平衡，焊件不斷的切削，就會(huì)不斷的變形，加工精度難以保證。第27頁(yè)/共44頁(yè)3.對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響： 當(dāng)桿件長(zhǎng)細(xì)比介于30150時(shí)，會(huì)影響到桿件的穩(wěn)定。4.對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響： 應(yīng)力腐蝕原因：拉應(yīng)力和介質(zhì)、腐蝕共同作用下產(chǎn)生裂紋的一 種現(xiàn)象，拉應(yīng)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的時(shí)間越早。第28頁(yè)/共44頁(yè)六、減小焊接殘余應(yīng)力的措施減少焊接殘余應(yīng)力的措施主要有：設(shè)計(jì)措施和工藝措施。消除殘余應(yīng)力的措施主要有：焊后熱處理法（ PWHT ）、機(jī)械拉伸法、溫差拉伸法、錘擊焊縫法、振動(dòng)法。第29頁(yè)/共44頁(yè)1.設(shè)計(jì)措施其核心是合理、正確地布置焊縫。（

13、1）減少焊縫數(shù)量 在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，采用填充金屬少的坡口形式 。（2）合理布置焊縫 焊縫布置應(yīng)盡量避免過(guò)分集中、交叉以及出現(xiàn)三向復(fù)雜應(yīng)力等，焊縫與焊縫之間應(yīng)保持足夠的距離。第30頁(yè)/共44頁(yè)（3）采用剛性較小的接頭形式 這樣可降低焊縫的拘束程度，使焊縫能自由地收縮。第31頁(yè)/共44頁(yè)2.工藝措施（1）采用合理的裝配焊接順序 基本原則：焊接平面上的焊縫時(shí)，應(yīng)使縱、橫向收縮都比較自由。 具體方法是：先焊結(jié)構(gòu)中收縮量最大的焊縫，后焊收縮量小的角焊縫；先焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫，后焊直通長(zhǎng)焊縫；先焊在工作時(shí)受力大的焊縫，后焊受力小的焊縫；焊接交叉焊縫時(shí)，應(yīng)保證交叉點(diǎn)部位不易產(chǎn)生

14、缺陷，且剛性較小。 簡(jiǎn)單歸納為：先焊大，后焊??；先焊短，后焊長(zhǎng)。第32頁(yè)/共44頁(yè)a.先焊大后焊小先焊大后焊小第33頁(yè)/共44頁(yè)b.b.先焊短，后焊長(zhǎng)先焊短，后焊長(zhǎng)第34頁(yè)/共44頁(yè)C.C.交叉焊縫交叉焊縫第35頁(yè)/共44頁(yè)（2）縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差 常用的方法有預(yù)熱法和冷焊法兩種。（3）降低接頭局部拘束度（4）加熱“減應(yīng)區(qū)”法 焊接時(shí)，加熱阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，就可以減小焊接應(yīng)力，這種方法稱(chēng)為加熱“減應(yīng)區(qū)”法，被加熱的部位稱(chēng)為“減應(yīng)區(qū)”。 第36頁(yè)/共44頁(yè)降低、消除焊接殘余應(yīng)力的方法（1）焊后熱處理法（PWHT） 常用的PWHTPWHT有兩種方

15、法：一種是整體熱處理，即將焊件整體放入爐中進(jìn)行熱處理，這種方法一般可消除80%90%的焊接殘余應(yīng)力；另一種方法是局部熱處理，即對(duì)焊縫周?chē)植繀^(qū)域進(jìn)行加熱，它只能降低殘余應(yīng)力峰值，不能完全消除殘余應(yīng)力。第37頁(yè)/共44頁(yè)（2）機(jī)械拉伸法 通過(guò)機(jī)械拉伸，使焊接接頭拉伸殘余應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生拉伸塑性變形，卸載后降低焊接殘余應(yīng)力，一般適用于屈服比較小的塑性材料。（3）溫差拉伸法 其基本原理與機(jī)械拉伸法相同。第38頁(yè)/共44頁(yè)（4）錘擊焊縫 采用帶有小圓弧面的手錘或風(fēng)槍錘擊焊縫，使焊縫金屬延展，從而降低內(nèi)應(yīng)力。錘擊時(shí)力量要適中，使2mm范圍內(nèi)受到影響，避免因錘擊過(guò)重而產(chǎn)生裂紋，同時(shí)要注意避免在3004000C

16、之間錘擊，以免出現(xiàn)藍(lán)脆。一般根部焊道不錘擊以免產(chǎn)生裂紋，蓋面焊道不錘擊以免影響焊縫美觀(guān)。（5）振動(dòng)法（超聲振動(dòng)、機(jī)械沖擊） 即以振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力對(duì)工件施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加后達(dá)到或超過(guò)金屬材料的屈服點(diǎn)時(shí)，在工件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生一定塑性變形，從而使焊接殘余降低或均勻化。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)性好，但振動(dòng)參數(shù)不易選擇。 第39頁(yè)/共44頁(yè)第40頁(yè)/共44頁(yè)3 3、焊接殘余應(yīng)力的影響因素、焊接殘余應(yīng)力的影響因素焊接應(yīng)力熱源周?chē)慕饘龠\(yùn)動(dòng)構(gòu)件形狀尺寸厚度及剛度外拘束度內(nèi)拘束度相變屈服強(qiáng)度彈性模量熱膨脹系數(shù)溫度場(chǎng)邊界條件，夾持狀態(tài)工藝措施預(yù)熱，緩冷材料特性，熱物理常數(shù)，力學(xué)性

17、能結(jié)構(gòu)因素制造因素材料因素?zé)彷斎氲?1頁(yè)/共44頁(yè) 焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區(qū)熔化； 而與熔池毗鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹則受到周?chē)牧系南拗?，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形； 在冷卻過(guò)程中，已發(fā)生塑性變形的這部分材料(如長(zhǎng)焊縫的兩側(cè))又受到周?chē)鷹l件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上被拉伸形成拉應(yīng)力； 與此同時(shí)，熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時(shí)也將產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力。 這樣，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，與其相對(duì)應(yīng)，在構(gòu)件中會(huì)形成自身相平衡的內(nèi)應(yīng)力，通稱(chēng)為焊接瞬態(tài)應(yīng)力。 而焊后，在室溫條件下殘留于焊件中的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為焊接殘余應(yīng)力。第42頁(yè)/共44頁(yè) 焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區(qū)熔化； 而與熔池毗