焊接殘余應力及VSR工藝剪

焊接殘余應力與振動時效工藝

上海交通大學材料學院焊接技術研究所內(nèi)容提要：1焊接接頭的殘余應力2振動時效的消應力原理3用振動時效替代熱時效的原則與技術要求4振動時效技術標準5應用振動時效的構件設計及注意事項1焊接殘余應力1.1焊接接頭的特性1.2焊接殘余應力的形成過程1.3一般接頭的殘余應力分布1.4殘余應力對焊接結構的影響1.5常用消應力技術低碳鋼屈服限與溫度的關系屈服強度（MPa）溫度℃600℃400℃200℃實際曲線簡化曲線1.2焊接殘余應力的形成過程受拘束鋼棒在熱循環(huán)中的應力應變演變過程溫度℃500℃時間時間應力MPa600℃-σsσs-σs金屬框架的溫度應力與殘余應力加熱－膨脹－受拘束－產(chǎn)生溫度應力（壓應力）＋壓縮屈服變形冷卻－收宿－受拘束－產(chǎn)生殘余應力（拉應力）＋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平板堆焊的應力演變過程ABCABC焊縫各截面中的縱向殘余應力（σx）的分布不同長度焊縫中的縱向殘余應力（σx）的分布σsσs1.3一般接頭的殘余應力分布塑性變形帶寬Bp筒體半徑R板厚δ筒體的縱向殘余應力圓筒縱向殘余應力的形成規(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，故縱向殘余應力σx一般比平板上的低。應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縱向應力縱向應力σx引起的橫向應力σy-+-~σx/3σsσyσy拘束條件對橫向應力的影響-125MPa240MPa230MPa280MPa125MPa85MPa420MPa厚度向應力σz縱向應力σx橫向應力σy厚板焊接的三向殘余應力(10Cr2Mo)ZYX1.4殘余應力對焊接結構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：由于殘余應力的不穩(wěn)定性造成構件的尺寸不穩(wěn)定。對抗應力腐蝕性能的影響：有影響；與材料及作用時間相關。殘余應力對受壓桿件穩(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；消應力可以提高疲勞壽命；殘余應力在應力集中較高時影響更大。Lg(N)σd106107消應力1.5常用消應力技術整體高溫回火局部高溫回火機械拉伸溫差拉伸振動2振動時效的消應力原理振動傳感器橡膠墊構件激振器振動主機偏心塊振動時效的對象：三種內(nèi)應力

宏觀應力、微觀應力、超微觀應力1）第一類應力－宏觀應力：在整個斷面平衡的應力；如地鐵列車啟動時的乘客分布密度。2）第二類應力－微觀應力：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、晶界的應力集中所形成的內(nèi)應力。如一節(jié)地鐵車箱內(nèi)啟動時的乘客分布密度。3)第三類應力－超微觀應力：由于晶粒內(nèi)部晶格排列畸變－位錯所形成的應力。如車廂一角的乘客分布。

振動時效的消應力原理－包辛格效應

可以通過振動時效降低三類內(nèi)應力；振動時效實質(zhì)是以機械的振動方式對工件施加附加應力，當附加應力與殘余應力疊加后其總應力達到或超過某一數(shù)值后，在應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，從而降低了該點殘余應力的峰值，使應力均勻化，金屬的抗變形能力提高。vεpvσε振動時效機理－振動作用于宏觀應力振動動應力與宏觀殘余應力疊加，合成應力大于彈性極限時造成屈服，使高應力下降，應力均化，尺寸穩(wěn)定性提高。特別在應力集中部位有可能形成較大拉應力屈服區(qū)－外應力卸載后形成壓應力保護區(qū)，提高了結構的穩(wěn)定性；在振動時效的前期這種效應起主要作用。振動時效機理－振動作用于微觀應力振動動應力與微觀應力疊加；特別在應力集中部位形成較大的剪應力，造成滑移屈服；使晶粒由不穩(wěn)定狀況進入穩(wěn)定狀況，高的二類應力下降，應力均化，組織穩(wěn)定性提高。振動時效中后期，當宏觀殘余應力與動應力的疊加值已明顯低于屈服強度時，這種效應仍起作用，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，從而也擴展了結構的彈性工作區(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應用非線性σ–ε過程的消應力原理非線性狀況εσABCED應變2等效應力下降應力動態(tài)應力母材焊縫中心線彈性狀況動態(tài)應力應變1殘余應力基于σ–ε非線性曲線的變化過程σε原始殘余應力振動后殘余應力

VSR與熱時效的比較振動時效熱時效消應力消應力、去氫、恢復塑性效果：20－50％效果：40－80％適合大型重型構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件不適合異種金屬構件振動時效與熱時效效果示比較意圖應力(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

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

材料：適合碳素結構鋼、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件的振動時效處理。對其它材質(zhì)焊接結構進行振動時效時，應首先進行類似材料及工藝的評定

頻率：對重大、關鍵構件可做實際邊界條件下的動應力有限元分析，求解出結構在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。動應力振動動應力σd應為工作應力的1/2~1/3，或按：（σb-σs)/3<σd<σb/3振動時效工藝文件：在進行焊接構件振動時效工藝前，應由技術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)殘余應力測量比較法尺寸精度穩(wěn)定性測量法

標準附錄的內(nèi)容：非熔化焊結構的振動時效可參考本標準；接頭應力集中系數(shù)應小于2.8；振動時效無去氫和恢復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用；矯形到位后再進行振動時效，可以采用預應力的