焊接残余应力

第二章焊接残余应力徐济进Email:[e-mail]电话：34202640，13764545920上海交通大学材料科学与工程学院ShanghaiJiaoTongUniversity一、焊接应力和变形的产生的原因焊接过程的局部加热，导致构件温度分布不均，从而造成各处的膨胀和收缩变形差别较大；由于接头形式的不同，使得焊接熔池内熔化金属的散热条件有所差别，使得熔化金属凝固时产生的收缩量不同焊接热循环作用下的组织相变，比如对碳钢而言，奥氏体转变为铁素体或马氏体时，体积将增大：表面淬火、高温合金钢焊前加工工艺的影响，如焊前构件经历冷冲压等工艺而具有较高的内应力。ShanghaiJiaoTongUniversity二、焊接过程的温度分布600℃500℃300℃200℃-10-8-6-4-202468100200400600800温度℃位置cmABCDShanghaiJiaoTongUniversity三、低碳钢屈服限与温度的关系屈服强度（MPa）温度℃600℃400℃200℃实际曲线简化曲线ShanghaiJiaoTongUniversity温度℃500℃时间时间应力MPa600℃-σsσs-σs四、受拘束钢棒在热循环中的应力应变演变过程ShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity五、焊接应力的分类1.按应力的分布范围围平衡的应力超微观应力：在晶格范内相互平衡的应力微观应力：在晶粒范围范围平衡的应力宏观应力：在整个焊接.3.2.1的三个方向作用三向应力：应力沿构件的两个方向作用双向应力：应力沿构件的一个方向作用单向应力：应力沿构件.3.2.12.根据结构中的空间位置ShanghaiJiaoTongUniversity五、焊接应力的分类受阻属组织转变时体积变化组织应力：由于接头金力变形受到拘束引起的应拘束应力：由于焊件热均匀加热引起的应力温度应力：由于焊件不.3.2.1应力残余应力：焊后留下的现的应力瞬时应力：焊接过程出.2.1向与焊缝垂直横向应力：应力作用方向与焊缝平行纵向应力：应力作用方.2.13.根据应力与焊缝的相对位置4.根据应力产生、作用的时间5.根据应力形成原因ShanghaiJiaoTongUniversity六、焊接残余应力分布A600500600500-σσB-σσC-σσD-σσ平板堆焊的纵向应力σx演变过程-10-8-6-4-202468100200400600800温度℃位置cmShanghaiJiaoTongUniversityABCABC焊缝各截面中的纵向残余应力（σx）的分布不同长度焊缝中的纵向残余应力（σx）的分布σsσsShanghaiJiaoTongUniversity七、纵向残余应力分布影响因素1、板宽的影响板边堆焊对接焊ShanghaiJiaoTongUniversity2、相变的影响ShanghaiJiaoTongUniversity纵向应力σx引起的横向应力σy-+-~σx/3σxσyShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity八、特厚板中残余应力分布ShanghaiJiaoTongUniversity焊接工形、箱形、T形结构中的焊接应力ShanghaiJiaoTongUniversity九、拘束条件下的残余应力σsσyσyShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity十、圆筒纵、环缝中的焊接残余应力ShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity02004006008001000-0.20.00.20.40.60.8σx/Eεp圆筒半径R,mmbp＝12bp＝20bp＝30bp＝40bp＝50bp＝80Bp：塑性变形区宽度ShanghaiJiaoTongUniversity十一、残余应力对焊接结构的影响对静强度的影响：对塑性材料影响不明显，但三轴拉应力时有不利影响；对脆性材料有不利影响。对机加工精度的影响：由于残余应力的不稳定性造成构件的尺寸不稳定。对抗应力腐蚀性能的影响：有影响；与材料及作用时间相关。ShanghaiJiaoTongUniversity残余应力对受压杆件稳定性的影响：一般影响不明显，但对翼缘的宽度与厚度比（B/δb)较大的H型截面，其局部失稳会引起整体失稳；残余应力将通过这一因素起作用。Bδb－＋ShanghaiJiaoTongUniversity十二、预防焊接残余应力的措施设计原则1、尽量减小焊缝截面尺寸，在保证强度的前提下尽量减少填充金属的数量；2、将焊缝尽量布置在最大工作应力区之外；ShanghaiJiaoTongUniversity3、尽量防止焊缝密集、交叉；ShanghaiJiaoTongUniversity板材内部平行表面的非金属夹层多道焊接造成的热应变脆化垂直与板平面的应力（残余应力）层状撕裂，焊道下裂纹ShanghaiJiaoTongUniversity4、采取局部降低刚度的方法，如开应力释放槽；ShanghaiJiaoTongUniversity5、采用合理的接头形式，尽量避免采用搭接接头；对接角接ShanghaiJiaoTongUniversity01020304050-300-200-1000100200300400Axialresidualstresses,σZ/MPabuttjointfilletjointDistancefrominnertoouterattheweldcentreline,mm010203040500100200300400500Hoopresidualstresses,σθ/MPaDistancefrominnertoouterattheweldcentreline,mmbuttjointfilletjoint（a）Axialresidualstresses（b）Hoopresidualstresses图2-11对接接头与角接接头沿厚度方向的残余应力ShanghaiJiaoTongUniversity设计原则减小应力集中面突变处，应力最严重的区域和断焊缝尽量不布置在工作式采用刚性较小的接头形尽量避免三轴交叉焊缝离为容器上相邻焊缝最小距合相关要求相邻焊缝最小距离要符焊缝不止应避免集中，尺寸和长度下，尽量减少焊缝截面在保证结构强度的前提.5.4.31003.2.1mmtShanghaiJiaoTongUniversity工艺措施1、合理地选择装配焊接顺序：尽量使焊缝在刚度较小的情况下焊接，尽量先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；先焊工作时受力大的焊缝；2、用局部加热法减小应力：采用局部加热的方法使焊接处在焊前产生一个与焊后收缩方向相反的变形；3、锤击：锤击可以使焊缝得到延展，从而降低峰值拉应力；4、采用反变形减小残余应力：减小刚度，使焊缝可以自由收缩；5、振动焊接ShanghaiJiaoTongUniversity工艺原则焊接时预热和跟踪加热锤击或碾压焊缝的自由度反变形法来增加焊缝处的焊缝时，可采用刚性较大、自由度较小在焊接封闭焊缝后其他然后在焊直通的长焊缝开的短焊缝在拼板时，应先拼焊错焊缝先焊工作时受力较大的先焊收缩量较大的焊缝方向采用合理的焊接顺序和.4.3.2.3.2.1.1ShanghaiJiaoTongUniversity振动焊接71234568振动焊接系统方框图ShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity1—Weldingtractor2—Specimen3—Vibrator4—Rubberblanket5—Accelerationsensor6—Accelerationcontroller213456振动焊接装置图ShanghaiJiaoTongUniversity（a）常规焊（b）振动焊接焊缝ShanghaiJiaoTongUniversity020406080100120150200250300350400450500550themaximumresidualstresses,σmax/MPaDistancetocenterline,mmVWCNormalwelding02040608010012080120160200240280320VWCNormalweldingtheminimumresidualstress,σmin/MPaDistancetocenterline,mm02040608010012080120160200240280320360400440Distancetoweldingcenterline,mmTransverseresidualstresses,σy/MPaVWCNormalWelding0204060801004080120160200240280320360400Longitudinalresidualstresses，σx/MPaDistancetoweldingcenterline,mmVWCNormalweldingShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学－中科院等离子物理所HT-7U核聚变试验装置：306L不锈钢薄板振动氩弧焊，变形量下降33％，角变形下降6.5％。ShanghaiJiaoTongUniversityBB503厚板振动电渣焊研究激振器电渣焊机头试板弹性减振基础残余应力下降约50－77％，侧弯合格率达100％ShanghaiJiaoTongUniversity上海光源工程发射机架ShanghaiJiaoTongUniversity十三、焊后消除残余应力的方法整体热处理：整体加热到回火温度，保温一定时间后冷却；其机理是金属材料在高温下发生蠕变现象，屈服点降低，使应力松弛；问题：母材和焊缝金属性能恶化；有再热裂纹倾向；对于异种金属焊接，可能会导致新的残余应力；受结构尺寸影响；局部热处理爆炸法碾压法温差拉伸法采用低温相变焊材表面冲击（喷丸、锤击或超声冲击）ShanghaiJiaoTongUniversity过载法，又称机械应力释放法σεσpσ0σsσrεpε0机械消除应力过程中的应力应变关系123ShanghaiJiaoTongUniversity123456789101112131415Time,minPressure,MPa20406080100120140160180200220240260280300320340360380400420StressrelievingpressureTestpressureDesignpressure加载压力与时间的关系ShanghaiJiaoTongUniversity阀体水压试验装置ShanghaiJiaoTongUniversity0510152025200250300350400450500Maximumresidualstress,σmax/MPaDistancefromweldcentreline,mmBeforeMSRAfterMSR051015202550100150200250300Axialresidualstress,σz/MPaBeforeMSRAfterMSRDistancefromweldcentreline,mm0510152025150200250300350400450Hoopresidualstress,σθ/MPaDistancefromweldcentreline,mmBeforeMSRAfterMSRShanghaiJiaoTongUniversity-150-100-50050100-1000100200300400Theaxialresidu