焊接残余应力

焊接培训教材焊接残余应力张明录一二三目录焊接残余应力的分布残余应力对结构性能的影响消除残余应力对结构性能的影响知识要点掌握程度相关内容焊接残余应力掌握焊接残余应力的类型及其在各种截面上的应力分布状态。掌握焊接残余应力对焊接结构力学行为的影响规律纵向残余应力、横向残余应力以及厚度方向残余应力沿焊缝长度、宽度和厚度方向上的基本分布规律一.焊接残余应力的分布纵向应力σx：沿焊缝方向上的应力横向应力σy：垂直于焊缝方向上的应力σz：厚度方向上的应力1)纵向残余应力在纵向上的分布1.纵向残余应力的分布原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。总结：板条中部区，焊缝纵向残余应力基本保持不变。在板条的端部存在一个内应力的过渡区，纵向残余应力逐渐降至零。不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布不同焊缝长度σx值的变化中间拉应力，两侧压应力2)纵向残余应力在纵向上的分布低碳钢铝合金焊缝纵向应力沿板材横向上的分布σx=σsσxσs与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关3)圆筒环形焊圆筒环焊缝纵向残余应力的分布◇低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较大时，分布与平板相似，σx=σs◇圆筒直径与壁厚之比较小时，σxσs环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊接塑性变形区宽度的关系◇取决于圆筒的半径R、壁厚δ、塑变区的宽度bp2.横向残余应力的分布σyσ’y由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的σy=+(叠加)σ’’y由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。若沿焊缝中心将构件一分为二，相当于板边堆焊变形、向外侧弯曲必须在1)σ’y分析：中心为拉应力两端为压应力复原中心加拉力两端加压力σ’y--+纵向应力σx引起的横向应力σ’yxy不同材料、工艺会形成不同的应力分布不同长度焊缝中的横向残余应力（σ’y）的分布不同长度焊缝中的横向残余应力（σ’y）的分布焊缝焊接有先后之分，不同时完成。先焊先冷(受压应力)，后焊后冷(受拉应力)。同时，先冷却的部分有限制后冷却部分的横向收缩。σ’’y的分布与焊接方向、分段方法、焊接顺序有关。2)σ’’y分析：T1T2恢复弹性阶段全塑性阶段熔化态阶段1231234对接过程中，设将焊缝分为三个区域，电弧位于某点时，区段I的焊缝金属恢复弹性，区段II的焊缝金属处于完全塑性状态，区段III的焊缝金属处于熔化状态。开始，区段I的焊缝金属横向收缩不会受到区段II和区段III的拘束，此时属于自由变形，不会产生横向残余应力，只是接头宽度有微量缩小。中间过程，区段II的焊缝金属恢复到弹性状态并开始横向收缩，将受到区段I的拘束，在II段的上端和区段I的下端产生横向拉伸应力，在区段I和II的结合处产生横向压应力，此时区段III的焊缝金属处于完全塑性状态，对区段II的横向收缩不起约束作用。当区段III恢复弹性时，其收缩受到区段I和II的拘，使σ’’y扩展。σs不同焊接顺序对横向应力的影响不同焊接顺序对横向应力σ’’y的影响从中间向两端焊\\y从两端向中间焊\\y3)总的σy'''yyy大小受σs的限制横向应力沿板宽上的分布4)横向应力在板宽方向上的分布焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。3.厚板中的残余应力厚板中的残余应力：σxσyσz三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工艺差别很大。厚板对接焊多层多道焊的三向残余应力(10Cr2Mo)ZYX-125MPa厚度方向应力σz－240MPa230MPa280MPa纵向应力σx＋125MPa85MPa420MPa横向应力σy＋厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布4.拘束状态下焊接的内应力σ=σy+σf结论：σ由拘束产生的反作用力σf与自由状态下焊接产生的横向残余应力σy之和。σ=σx+σf结论：焊缝引起的纵向收缩受到限制，将产生纵向反作用内应力σf。焊缝还将引起纵向应力σx，最终的内应力是二者的综合。注意反作用应力是拉应力，且分布范围大，对结构的影响较大，在设计和施工时应注意采取措施消除或减少。5.封闭焊缝引起的内应力封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。容器接管焊缝σθ(σx)σr(σy)封闭环焊缝残余应力分布a-封闭环焊缝b-纵横应力分布σr(σy)σθ(σx)1）中部存在均匀的双轴应力场。2）中心的应力的大小与镶块直径d和圆盘直径D的比值有关，d/D越小，拘束度越大，镶块中的内应力越大。6.相变应力（a）相变温度高于塑性温度（b）相变温度低于塑性温度钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响焊缝金属为奥氏体钢焊缝成分与母材相近二.焊接残余应力对焊接结构性能的影响1.焊接残余应力对静载强度的影响内应力：焊缝及近缝区，拉应力；远离焊缝，压应力外应力：总应力：内应力+外应力)(BFAF塑性材料：有足够的塑性变形能力，无影响1）外应力与内应力叠加，当拉应力峰值达到材料的屈服极限σs后，该区域的应力不再增加，而产生塑性变形。2）继续增加外力，构件中尚未屈服的区域的应力值继续增加并逐渐屈服，直至整个截面上应力完全达到σs，应力就全面均匀化了。3）由于初始内应力是平衡的，即拉应力和压应力的面积相等。所以使构件截面完全屈服所需要施加的外力与无内应力而使构件完全屈服所需要施加的外力是相等的。塑性材料脆性材料：材料发生局部破坏，降低静载强度脆性材料当外载荷增加时，由于材料不能发生塑性变形而使构件上的应力均匀化，因而应力峰值不断增加，一直达到材料的断裂极限。这将造成局部破坏，从而导致整个构件断裂。b2.焊接残余应力对刚度的影响刚度：构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位长度所需的外力。FLFLLAEBEtgFLEALE：弹性模量；L：构件长度；F：外力；A：构件截面积。伸长量刚度拉伸残余应力1s刚度减小EbBFLL)('LEbBLFtg)(''tgtg'1）加载过程b区域：B-b区域：1s)(2bBF外力作用消失，各区的应力均匀下降2）卸载过程BF回弹量EBLFEALFL''LL''()卸载后，相对于卸载前伸长了'LLb区域：B-b区域：BFsBFbBF)(2◇假使构件中存在着与外力方向一致的内应力，而内应力的数值又达到，则在外力作用下刚度将降低，而且在卸载后构件的原来尺寸也不能完全恢复。◇刚度的降低程度与b/B的比值有关，b所占的比例越大，对刚度的影响也越大。s即焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，只要其大小不超过前一次，内应力就不再起作用，外载也不影响内应力的分布。只适用于静载，对频率较高、次数较多的变载荷另当别论，结论：3.焊接残余应力对杆件受压稳定性的影响两端铰支的受压杆件，在弹性范围内工作时，其失稳的临界应力，可由下式求得：E：弹性模量；l：受压杆件的自由长度；I：为构件截面惯性矩；A：截面积。lrλ：细长比；γ：截面惯性距半径。2222EAlEIcr21cr'crcr受压前hbhBA21223bxBI受压后hbhBA'''212)(23''bxBI'BB3'3)(BB'xxII'AA''AAIIxxAlEIcr22σF受压焊接柱的弹性区与拉伸残余应力相对应，如果能使残余拉应力区远离截面中性轴，则会大大提高有效截面惯性距，从而提高临界应力。气体火焰加热翼板边缘两板叠焊内应力的影响只在构件的一定长细比范围内起作用。即：30λ150范围内较明显。21cr残余应力对焊接杆件受压失稳强度的影响4.焊接残余应力对构件精度和尺寸稳定性的影响即焊接应力是否会在长期存放过程中随时间变化，而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度。焊接应力稳定性：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证。机械加工引起的内应力释放和变形原因：加圧板一是蠕变和应力松弛；二是不稳定组织的存在。为保证尺寸稳定，焊后要进行热处理，使组织稳定，并使残余应力消除，然后再进行机械加工。造成构件尺寸不稳定的原因主要有两方面：谢谢