焊接殘余應(yīng)力及VSR工藝剪

焊接殘余應(yīng)力與振動時效工藝

上海交通大學(xué)材料學(xué)院焊接技術(shù)研究所內(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)計及注意事項1焊接殘余應(yīng)力1.1焊接接頭的特性1.2焊接殘余應(yīng)力的形成過程1.3一般接頭的殘余應(yīng)力分布1.4殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響1.5常用消應(yīng)力技術(shù)低碳鋼屈服限與溫度的關(guān)系屈服強度（MPa）溫度℃600℃400℃200℃實際曲線簡化曲線1.2焊接殘余應(yīng)力的形成過程受拘束鋼棒在熱循環(huán)中的應(yīng)力應(yīng)變演變過程溫度℃500℃時間時間應(yīng)力MPa600℃-σsσs-σs金屬框架的溫度應(yīng)力與殘余應(yīng)力加熱－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）＋拉伸屈服變形焊接溫度場焊接方向1100℃800℃500℃300℃250℃平板堆焊焊接溫度場600℃500℃300℃200℃ABCDA600500600500－σσB－σσC－σσD－σσ平板堆焊的應(yīng)力演變過程ABCABC焊縫各截面中的縱向殘余應(yīng)力（σx）的分布不同長度焊縫中的縱向殘余應(yīng)力（σx）的分布σsσs1.3一般接頭的殘余應(yīng)力分布塑性變形帶寬Bp筒體半徑R板厚δ筒體的縱向殘余應(yīng)力圓筒縱向殘余應(yīng)力的形成規(guī)律由于圓筒環(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，故縱向殘余應(yīng)力σx一般比平板上的低。應(yīng)力大小取決于圓筒半徑R、壁厚δ以及塑性變形區(qū)寬度bp。當(dāng)壁厚不變，σx隨R的減小而降低，隨bp的減小而增加。例：δ＝50mm、R＝700mm、埋弧自動焊，故縱向殘余應(yīng)力平均值σx＝124MPa。bp＝12bp＝20bp＝30bp＝40bp＝50bp＝80筒體半徑R，mmσx/Eεp02004008006000。810000。20。40。60縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力σx引起的橫向應(yīng)力σy-+-~σx/3σsσyσy拘束條件對橫向應(yīng)力的影響-125MPa240MPa230MPa280MPa125MPa85MPa420MPa厚度向應(yīng)力σz縱向應(yīng)力σx橫向應(yīng)力σy厚板焊接的三向殘余應(yīng)力(10Cr2Mo)ZYX1.4殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響對靜強度的影響：對塑性材料影響不明顯，但三軸拉應(yīng)力時有不利影響；對脆性材料有不利影響。對機加工精度的影響：由于殘余應(yīng)力的不穩(wěn)定性造成構(gòu)件的尺寸不穩(wěn)定。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)。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定性的影響：一般影響不明顯，但對翼緣的寬度與厚度比（B/δb)較大的H型截面，其局部失穩(wěn)會引起整體失穩(wěn)；殘余應(yīng)力將通過這一因素起作用。Bδb－＋對剛度的影響：加載造成殘余應(yīng)力的釋放，對運行的前期有影響。PL1L2G1>G2剛度:G=tgα＝P/LG1G2對疲勞壽命的影響：對σmin/σmax比值較低的有影響；消應(yīng)力可以提高疲勞壽命；殘余應(yīng)力在應(yīng)力集中較高時影響更大。Lg(N)σd106107消應(yīng)力1.5常用消應(yīng)力技術(shù)整體高溫回火局部高溫回火機械拉伸溫差拉伸振動2振動時效的消應(yīng)力原理振動傳感器橡膠墊構(gòu)件激振器振動主機偏心塊振動時效的對象：三種內(nèi)應(yīng)力

宏觀應(yīng)力、微觀應(yīng)力、超微觀應(yīng)力1）第一類應(yīng)力－宏觀應(yīng)力：在整個斷面平衡的應(yīng)力；如地鐵列車啟動時的乘客分布密度。2）第二類應(yīng)力－微觀應(yīng)力：由若干顆晶粒相互作用；組織不均勻性、排列的無序性、幾何的多樣性、晶界的應(yīng)力集中所形成的內(nèi)應(yīng)力。如一節(jié)地鐵車箱內(nèi)啟動時的乘客分布密度。3)第三類應(yīng)力－超微觀應(yīng)力：由于晶粒內(nèi)部晶格排列畸變－位錯所形成的應(yīng)力。如車廂一角的乘客分布。

振動時效的消應(yīng)力原理－包辛格效應(yīng)

可以通過振動時效降低三類內(nèi)應(yīng)力；振動時效實質(zhì)是以機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)力疊加后其總應(yīng)力達到或超過某一數(shù)值后，在應(yīng)力集中的地方超過金屬材料屈服強度時，工件內(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。vεpvσε振動時效機理－振動作用于宏觀應(yīng)力振動動應(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)力下降，應(yīng)力均化，尺寸穩(wěn)定性提高。特別在應(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)力保護區(qū)，提高了結(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。振動時效機理－振動作用于微觀應(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，造成滑移屈服；使晶粒由不穩(wěn)定狀況進入穩(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)力的疊加值已明顯低于屈服強度時，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。振動時效機理－振動作用于超微觀應(yīng)力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；部分位錯移動到晶界，且由于位錯的釘扎作用，使材料的強度上升，從而也擴展了結(jié)構(gòu)的彈性工作區(qū)間。金屬材料的拉伸曲線PεVσPVLεDP/(4ΠD2)=σ焊接試板不同區(qū)域在σ-ε曲線上的位置

εσBA應(yīng)用非線性σ–ε過程的消應(yīng)力原理非線性狀況εσABCED應(yīng)變2等效應(yīng)力下降應(yīng)力動態(tài)應(yīng)力母材焊縫中心線彈性狀況動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變1殘余應(yīng)力基于σ–ε非線性曲線的變化過程σε原始殘余應(yīng)力振動后殘余應(yīng)力

VSR與熱時效的比較振動時效熱時效消應(yīng)力消應(yīng)力、去氫、恢復(fù)塑性效果：20－50％效果：40－80％適合大型重型構(gòu)件尺寸受爐膛限制周期短（幾十分鐘）周期長（數(shù)十個小時）無污染有污無表面氧化表面氧化工藝變形小工藝變形較大不適合需低溫韌性的構(gòu)件不適合異種金屬構(gòu)件振動時效與熱時效效果示比較意圖應(yīng)力(Mpa)熱時效振動時效時間：振動時效－分鐘；熱時效－小時彈性極限/原始殘余應(yīng)力水平(Mpa)彈性工作帶寬(Mpa)3振動時效替代熱時效

的原則與技術(shù)要求僅考慮以尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的時效工藝；消應(yīng)力效果為20％～50％；無去氫、恢復(fù)塑性的功能。4振動時效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1:機械電子工業(yè)部于1991年11月27日批準(zhǔn)，1992年7月1日實施的（JB/T5926-91）；2003年將頒布修改標(biāo)準(zhǔn)。2:機械研究院2003年將頒布焊接構(gòu)件的振動時效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)構(gòu)件設(shè)計的內(nèi)容

材料：適合碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、銅和銅合金、鋁和鋁合金、不銹鋼、鈦及鈦合金熔化焊焊接構(gòu)件的振動時效處理。對其它材質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)進行振動時效時，應(yīng)首先進行類似材料及工藝的評定

頻率：對重大、關(guān)鍵構(gòu)件可做實際邊界條件下的動應(yīng)力有限元分析，求解出結(jié)構(gòu)在16～200Hz范圍內(nèi)的固有頻率和振型，以確定支撐點、激振點和拾振點的位置。動應(yīng)力振動動應(yīng)力σd應(yīng)為工作應(yīng)力的1/2~1/3，或按：（σb-σs)/3<σd<σb/3振動時效工藝文件：在進行焊接構(gòu)件振動時效工藝前，應(yīng)由技術(shù)人員編寫和下達振動時效工藝文件。振動時效工藝效果的評定工藝參數(shù)觀測法：頻率－幅度（a-n)；時間－幅度(a-t)殘余應(yīng)力測量比較法尺寸精度穩(wěn)定性測量法

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)；接頭應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)小于2.8；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；可與振動焊接、熱時效、焊趾錘擊/焊趾超聲波沖擊等工藝組合應(yīng)用；矯形到位后再進行振動時效，可以采用預(yù)應(yīng)力的