焊接殘余應(yīng)力

1、西南交通大學(xué)軌道交通關(guān)鍵材料及工藝研究中心 西南交通大學(xué)焊接研究所 Monday, October 5, 2020,焊接殘余應(yīng)力無損檢測(cè)技術(shù),目錄,減少焊接殘余應(yīng)力的措施,6,一、殘余應(yīng)力的基本概念,1、定義 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)力稱為殘余應(yīng)力，或者內(nèi)應(yīng)力。簡(jiǎn)單說就是沒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、內(nèi)應(yīng)力分類 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，即第一類內(nèi)應(yīng)力

2、、第二類內(nèi)應(yīng)力和第三類內(nèi)應(yīng)力。,3、什么是殘余應(yīng)力,國內(nèi)科技文獻(xiàn)習(xí)慣將于第一類內(nèi)應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力,一般英、美文獻(xiàn)中把第一類內(nèi)應(yīng)力稱為“宏觀應(yīng)力”（Macrostress）；把第二類和第三類內(nèi)應(yīng)力合稱為“微觀應(yīng)力”（Microstress）,殘余應(yīng)力可以認(rèn)為是第一類內(nèi)應(yīng)力的工程名稱。,至于通常所說的“熱處理應(yīng)力”，“焊接應(yīng)力”，“鑄造應(yīng)力”等則是實(shí)施這些工藝的過程中產(chǎn)生并最終殘留的殘余應(yīng)力（即第一類內(nèi)應(yīng)力）的簡(jiǎn)稱。,二、焊接殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,1、焊接殘余應(yīng)力 定義：構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱之為焊接應(yīng)力，焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱之為焊接殘余應(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)

3、引起的。,2、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。,3、焊接殘余應(yīng)力的影響因素,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圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形； 在冷卻過程中，已發(fā)生塑性變形的這部分材料(如長(zhǎng)焊縫的兩側(cè))又受到周圍條件的制約，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)力稱為

4、焊接殘余應(yīng)力。,三、焊接殘余應(yīng)力的分類,1.按應(yīng)力的分布范圍,2.根據(jù)結(jié)構(gòu)中的空間位置,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,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）和無損（物理法）這兩大類。,（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K

5、irsch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。,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，則小孔周圍的應(yīng)力將重新調(diào)整，測(cè)得小孔附近的彈性應(yīng)變?cè)隽浚涂梢杂脧椥粤W(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構(gòu)件，可采用盲孔法測(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有關(guān)系了。,在加載方向的徑向應(yīng)力分布左圖所示。

6、若在鉆孔前將一應(yīng)變片粘貼在受有應(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,盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力應(yīng)變片示意圖,釋放應(yīng)力計(jì)算公式,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。,盲孔法應(yīng)變釋放系數(shù)A、B計(jì)算公式：,小孔法測(cè)試設(shè)備,鉆孔裝置,靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀,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,（3）X射線法,X射線衍射法是目前最為成熟

7、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： （1）理論成熟，測(cè)量精度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。 （2）由于X射線對(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)改變材料的狀態(tài)，屬于無損測(cè)量。 （3）可適用于精確測(cè)定應(yīng)力沿層深的分布，但此時(shí)該方法不再是無損的，需要與其他剝除方法配合，逐層測(cè)定。,由于X射線的穿透能力有限，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射線法對(duì)表面狀態(tài)敏感。,X射線法的局限性,X衍射應(yīng)力分析的基本原理,布拉格定律： 2dSin = n 通過X射線衍射得到衍射角2 依

8、據(jù)布拉格定律可以求出晶面間距 d,選定的晶面法線方向與晶面間距,衍射晶面方位角和應(yīng)力方向平面,即一定波長(zhǎng)的X射線照射到晶體材料上，相鄰兩個(gè)原子面衍射時(shí)的X射線光程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。通過測(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、無織構(gòu)的多晶體，在一束X射線照射范圍內(nèi)應(yīng)該有足夠多的晶粒，而且所選定的（h k l）晶面的法線在空間呈均勻連續(xù)分布。,確定若干個(gè)衍射晶面法線,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；,無織構(gòu)，結(jié)晶學(xué)方向充分紊亂。,每條法線 N0,N1N4,分別對(duì)應(yīng)的晶面間距

9、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應(yīng)力；,應(yīng)力計(jì)算公式,X射線法測(cè)試設(shè)備,MGR40P殘余應(yīng)力儀,DJP-型電解拋光機(jī),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。,2.對(duì)構(gòu)件加工尺寸精度的影響： 焊件在不經(jīng)過焊后消應(yīng)力處理，內(nèi)部存在

10、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（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布來保持平衡，焊件不斷的切削，就會(huì)不斷的變形，加工精度難以保證。,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)力腐蝕開裂的時(shí)間越早。,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

11、。,1.設(shè)計(jì)措施 其核心是合理、正確地布置焊縫。 （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。,（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。,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)，

12、應(yīng)保證交叉點(diǎn)部位不易產(chǎn)生缺陷，且剛性較小。 簡(jiǎn)單歸納為：先焊大，后焊小；先焊短，后焊長(zhǎng)。,a.先焊大后焊小,b.先焊短，后焊長(zhǎng),C.交叉焊縫,（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，這種方法稱為加熱“減應(yīng)區(qū)”法，被加熱的部位稱為“減應(yīng)區(qū)”。,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PWHT有兩種方法：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)焊縫周圍局部區(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。,（2）機(jī)械拉伸法 通過機(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。,（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，避免因錘擊過重而