焊接残余应力

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1、西南交通大学轨道交通关键材料及工艺研究中心 西南交通大学焊接研究所 *焊接残余应力无损检测技术目录残余应力的基本概念12焊接残余应力与变形的产生3焊接残余应力的分类及分布4焊接残余应力的测量方法5焊接残余应力对焊接结构的影响减少焊接残余应力的措施6一、残余应力的基本概念1、定义内应力：当产生应力的因素不存在时（如外力去除 、温度已均匀、相变结束等），由于材料内部不均匀塑 性变形（包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化） ，致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力 称为残余应力，或者内应力。简单说就是没有外力或外 力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。2、内应力分类1973年 Ma

2、cherauch提出了新的内应力模型 ，将内 应力分为三类，即第一类内应力、第二类内应力和第三 类内应力。3、什么是残余应力u国内科技文献习惯将于第一类内应力称为残余应力 uu一般英、美文献中把第一类内应力称为一般英、美文献中把第一类内应力称为“宏观应力宏观应力”（ MacrostressMacrostress）；把第二类和第三类内应力合称为）；把第二类和第三类内应力合称为“微观微观 应力应力”（MicrostressMicrostress）uu残余应力可以认为是第一类内应力的工程名称。残余应力可以认为是第一类内应力的工程名称。uu至于通常所说的至于通常所说的“热处理应力热处理应力”，“焊接应

3、力焊接应力”，“铸铸 造应力造应力”等则是实施这些工艺的过程中产生并最终残留的等则是实施这些工艺的过程中产生并最终残留的 残余应力（即第一类内应力）的简称。残余应力（即第一类内应力）的简称。二、焊接残余应力与变形的产生1、焊接残余应力定义：构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力 ，焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。 焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的 。2、变形定义：物体在外力或温度等因素作用下，其形状与 尺寸发生变化的现象。3、焊接残余应力的影响因素 焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化； 而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制 ，产生不均匀

4、的压缩塑性变形； 在冷却过程中，已发生塑性变形的这部分材料(如长焊缝的 两侧)又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程 度上被拉伸形成拉应力； 与此同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将 产生相应的拉应力。 这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变，与其相对应 ，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应 力。 而焊后，在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊接残余 应力。三、焊接残余应力的分类1.按应力的分布范围2.根据结构中的空间位置3.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.根据应力形成的原因四、焊接残余应力的测量方法 在现有的焊接残余应力测量方法中

5、 ，按照其对被测构件的损伤程度可分 为有损（机械法）和无损（物理法） 这两大类。（1）钻孔法（小孔释放法） 小孔释放法测量焊接残余应力是由德国学者 J.Mathar于1934年提出的，现已得到广泛应用，具 有操作简单、测量方便、对构件损伤程度小等特点 。根据钻孔是否钻通，小孔释放法又可分为通孔法 和盲孔法。 小孔释放法重要的一点是应变释放系数A、B的确定 ，通孔法应变释放系数可由Kirsch理论直接计算出， 盲孔法应变释放系数则需用实验标定。 钻孔法原理 在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应 力将重新调整，测得小孔附近的弹性应变增量，就可以用弹 性力学原理推算出小孔处的残余应力

6、。 对于厚度大的板或体型构件，可采用盲孔法测定残余应力， 其操作方法与通孔法一致，只是盲孔深度要稍大于盲孔直径 ，求得的残余应力是盲孔深度上的平均值，当钻孔深度达到 某一尺寸时，继续增加钻孔深度就不在影响表面应力状态了 。国外Bathgate、Kelsey等人都用实验证明了当钻孔深度等于 孔径时，在表面上得到最大的释放值，此时释放系数与其后 钻孔深度就没有关系了。在加载方向的径向应力 分布左图所示。若在钻孔前 将一应变片粘贴在受有应力 的板上，距孔边0.5到1.5d （为孔径）处，钻孔时应变 片将感受出因应力降低产生 的应变（图2中阴影所示） ，这个应变显然和孔边的应 力释放有关。 钻孔引起的

7、弹性径向释放应力盲孔法测试残余应力应变片示意图释放应力计算公式通孔应变释放系数A、B可由Kirsch理论解得到下面的公式；盲 孔法应变释放系数则需由标定试验确定。盲孔法应变释放系数A、B计算公式：小孔法测试设备钻孔装置 静态应变测试仪 将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变 片或加工机械引伸计的标距孔，然后测原始读数，再切 断，然后在读数。（2）切条法（3）X射线法X射线衍射法是目前最为成熟而且应用范围也最为广 泛的测量结构表面残余应力方法，其优点如下： n （1）理论成熟，测量精度高，测量结果准确、可靠 。 n （2）由于X射线对材料的透射深度十分小，测定的 表面层深度仅为10-35u

8、m，因此测定的是材料表面 的应力状态，不会改变材料的状态，属于无损测量 。 n （3）可适用于精确测定应力沿层深的分布，但此时 该方法不再是无损的，需要与其他剥除方法配合， 逐层测定。由于X射线的穿透能力有限，所测得的仅仅是表层应 力，而垂直于表层的应力分量为零，所以它测得的 总是二维应力。 X射线法对表面状态敏感。X射线法的局限性X衍射应力分析的基本原理布拉格定律： 2dSin = n 通过X射线衍射得到衍射角2依据布拉格定律可以求出晶面间距 d选定的晶面法线方向与晶面间距 衍射晶面方位角和应力方向平面即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相 邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是 波长的整数

9、倍。通过测量衍射角变化从而 得到晶格间距变化d，根据虎克定律和弹性 力学原理，计算出材料的残余应力。 假定被测材料为晶粒不粗大、无织构的多晶 体，在一束X射线照射范围内应该有足够多 的晶粒，而且所选定的（h k l）晶面的法线 在空间呈均匀连续分布。确定若干个衍射晶面法线它们分别对应于许多晶粒多晶体晶粒细小，在一束X光照射范围内有 许许多多晶粒；无织构，结晶学方向充分紊乱。每条法线 N0,N1N4分别对应的晶面间距为d0,d1d4如果测得晶面间距从d0到d4依次增大可以推断材料中存在拉应力；如果测得晶面间距从d0到d4依次减小可以推断材料中存在压应力；如果测得晶面间距从d0到d4大体相等可以推

10、断材料中基本无应力；应力计算公式X射线法测试设备MGR40P残余应力仪 DJP-型电解抛光机五、焊接残余应力对焊接结构的影响1、对结构静强度的影响：塑性材料：材料有足够的塑性，能进行塑性变 形，使应力均匀化，无影响。脆性材料：材料不能够发生塑性变形使应力均 匀化，因而应力峰值不断增加，一直达到材料 抗拉强度，材料发生局部破坏。2.对构件加工尺寸精度的影响：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。3.对受压杆件稳

11、定性的影响：当杆件长细比介于30150时，会影响到杆件的稳定。4.对结构刚度、疲劳强度和应力腐蚀开裂的影响：应力腐蚀原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。六、减小焊接残余应力的措施减少焊接残余应力的措施主要有：设计措施 和工艺措施。 消除残余应力的措施主要有：焊后热处理法 （ PWHT ）、机械拉伸法、温差拉伸法、锤 击焊缝法、振动法。1.设计措施 其核心是合理、正确地布置焊缝。（1）减少焊缝数量 在保证结构强度的前提下，应尽量减少焊缝的数量 和尺寸，采用填充金属少的坡口形式 。（2）合理布置焊缝 焊缝布置应尽量避免过分集中、交叉以及出现

12、三向 复杂应力等，焊缝与焊缝之间应保持足够的距离。（3）采用刚性较小的接头形式 这样可降低焊缝的拘束程度，使焊缝能自由地收缩。2.工艺措施 （1）采用合理的装配焊接顺序 基本原则：焊接平面上的焊缝时，应使纵、横向收 缩都比较自由。具体方法是：先焊结构中收缩量最大的焊缝，后焊 收缩量小的角焊缝；先焊错开的短焊缝，后焊直通长 焊缝；先焊在工作时受力大的焊缝，后焊受力小的焊 缝；焊接交叉焊缝时，应保证交叉点部位不易产生缺 陷，且刚性较小。 简单归纳为：先焊大，后焊小；先焊短，后焊长。a.先焊大后焊小b.先焊短，后焊长C.交叉焊缝（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差 常用的方法有预热法和冷焊法两种。

13、（3）降低接头局部拘束度 （4）加热“减应区”法焊接时，加热阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区 同时膨胀和同时收缩，就可以减小焊接应力，这种方法称为加热“减应区”法，被加热的部位称为“减应区”。 降低、消除焊接残余应力的方法（1）焊后热处理法（PWHT）常用的PWHT有两种方法：一种是整体热处理， 即将焊件整体放入炉中进行热处理，这种方法一般 可消除80%90%的焊接残余应力；另一种方法是局 部热处理，即对焊缝周围局部区域进行加热，它只 能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。（2）机械拉伸法 通过机械拉伸，使焊接接头拉伸残余应力区域产 生拉伸塑性变形，卸载后降低焊接残余应力，一 般适用

14、于屈服比较小的塑性材料。（3）温差拉伸法 其基本原理与机械拉伸法相同。（4）锤击焊缝 采用带有小圆弧面的手锤或风枪锤击焊缝，使焊缝金属延 展，从而降低内应力。锤击时力量要适中，使2mm范围内受 到影响，避免因锤击过重而产生裂纹，同时要注意避免在300 4000C之间锤击，以免出现蓝脆。一般根部焊道不锤击以免 产生裂纹，盖面焊道不锤击以免影响焊缝美观。 （5）振动法（超声振动、机械冲击）即以振动产生的交变应力对工件施加附加应力，当附加应 力与焊接残余应力叠加后达到或超过金属材料的屈服点时， 在工件内部就会产生一定塑性变形，从而使焊接残余降低或 均匀化。这种方法设备简单、操作方便、经济性好，但振动 参数不易选择。