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1、焊接残余应力与振动时效工艺 上海交通大学材料学院焊接技术研究所,内容提要： 1 焊接接头的残余应力 2 振动时效的消应力原理 3 用振动时效替代热时效的原则与技术要求 4 振动时效技术标准 5 应用振动时效的构件设计及注意事项,1 焊接残余应力,1.1 焊接接头的特性 1.2 焊接残余应力的形成过程 1.3 一般接头的残余应力分布 1.4 残余应力对焊接结构的影响 1.5 常用消应力技术,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,1.2 焊接残余应力的形成过程,受拘束钢棒在热循环中的应力应变演变过程,温度,500,时间,时间,应力MPa
2、,600,-s,s,-s,金属框架的温度应力与残余应力,加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形 冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形,焊接温度场,焊接方向,1100,800,500,300,250,平板堆焊焊接温度场,600,500,300,200,A,B,C,D,A,600,500,600,500,B,C,D,平板堆焊的应力演变过程,A,B,C,A,B,C,焊缝各截面中的纵向残余应力（x）的分布,不同长度焊缝中的纵向残余应力（x）的分布,s,s,1.3 一般接头的残余应力分布,塑性变形带宽 Bp,筒体半径R,板厚 ,筒体的纵向残余应力,圆筒纵向残余应力的形成规律,由于圆
3、筒环焊缝的半径在焊接后缩小，焊缝比在平板上有更大的自由度，故纵向残余应力x一般比平板上的低。应力大小取决于圆筒半径R、壁厚以及塑性变形区宽度bp。当壁厚不变， x随R的减小而降低，随 bp的减小而增加。例： 50mm、R700mm、埋弧自动焊，故纵向残余应力平均值x124MPa。,bp12,bp20,bp30,bp40,bp50,bp80,筒体半径R，mm,x/Ep,0,200,400,800,600,0。8,1000,0。2,0。4,0。6,0,纵向应力纵向应力x引起的横向应力y,-,+,-,x/3,s,y,y,拘束条件对横向应力的影响,-125MPa,240MPa,230MPa,280MP
4、a,125MPa,85MPa,420MPa,厚度向 应力 z,纵向应力 x,横向应力 y,厚板焊接的三向残余应力(10Cr2Mo),Z,Y,X,1.4 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。,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/b)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。,B,b,对刚度的影响： 加载造成残余应力的释放，
5、对运行的前期有影响。,P,L1,L2,G1G2,刚度:G=tgP/L,G1,G2,对疲劳寿命的影响： 对min/max比值较低的有影响； 消应力可以提高疲劳寿命； 残余应力在应力集中较高时影响更大。,Lg(N),d,106,107,消应力,1.5 常用消应力技术,整体高温回火 局部高温回火 机械拉伸 温差拉伸 振动,2 振动时效的消应力原理,振动 传感器,橡胶垫,构件,激振器,振动 主机,偏心块,振动时效的对象：三种内应力 宏观应力、微观应力、超微观应力,1）第一类应力宏观应力：在整个断面平衡的应力；如地铁列车启动时的乘客分布密度。,2）第二类应力微观应力：由若干颗晶粒相互作用；组织不均匀性、
6、排列的无序性、几何的多样性、晶界的应力集中所形成的内应力。如一节地铁车箱内启动时的乘客分布密度。,3)第三类应力超微观应力：由于晶粒内部晶格排列畸变位错所形成的应力。如车厢一角的乘客分布。,振动时效的消应力原理包辛格效应,可以通过振动时效降低三类内应力；振动时效实质是以机械的振动方式对工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后其总应力达到或超过某一数值后，在应力集中的地方超过金属材料屈服强度时，工件内部发生宏观和微观的塑性变形包辛格效应，从而降低了该点残余应力的峰值，使应力均匀化，金属的抗变形能力提高。,v,p,v,振动时效机理振动作用于宏观应力,振动动应力与宏观残余应力叠加，合成应力大于弹
7、性极限时造成屈服，使高应力下降，应力均化，尺寸稳定性提高。特别在应力集中部位有可能形成较大拉应力屈服区外应力卸载后形成压应力保护区，提高了结构的稳定性；在振动时效的前期这种效应起主要作用。,振动时效机理振动作用于微观应力,振动动应力与微观应力叠加；特别在应力集中部位形成较大的剪应力，造成滑移屈服；使晶粒由不稳定状况进入稳定状况，高的二类应力下降，应力均化，组织稳定性提高。振动时效中后期，当宏观残余应力与动应力的叠加值已明显低于屈服强度时，这种效应仍起作用，通过微观屈服的积累，形成振动时效效果。,振动时效机理振动作用于超微观应力,振动能促使位错移动，位错移动减弱畸变的比例，晶粒的稳定性提高；部分
8、位错移动到晶界，且由于位错的钉扎作用，使材料的强度上升，从而也扩展了结构的弹性工作区间。,金属材料的拉伸曲线,P,V,P,V,L,D,P/(4D2)= ,焊接试板不同区域在 - 曲线上的位置,B,A,应用非线性 过程的消应力原理,非线性状况,A,B,C,E,D,应变2,等效应力,下降应力,动态应力,母材,焊缝中心,线弹性状况,动态应力,应变1,残余应力基于非线性曲线的变化过程,原始残余应力,振动后残余应力,VSR与热时效的比较,振动时效与热时效效果示比较意图,应 力 (Mpa),热时效,振动时效,时间：振动时效分钟；热时效小时,弹性极限/原始残余应力水平(Mpa),弹性工作带宽(Mpa),3
9、振动时效替代热时效 的原则与技术要求,仅考虑以尺寸稳定性为目标的时效工艺； 消应力效果为2050； 无去氢、恢复塑性的功能。,4 振动时效技术标准,1:机械电子工业部于1991年11月27日批准，1992年7月1日实施的（JB/T5926-91）；2003年将颁布修改标准。2:机械研究院2003年将颁布焊接构件的振动时效技术标准。,技术标准中有关构件设计的内容,材料：适合碳素结构钢、低合金钢、铜和铜合金、铝 和铝合金、不锈钢、钛及钛合金熔化焊焊接构件的 振动时效处理。对其它材质焊接结构进行振动时效时，应首先 进行类似材料及工艺的评定,频率：对重大、关键构件可做实际边界条件下的 动应力有限元分析
10、，求解出结构在16200Hz范围 内的固有频率和振型，以确定支撑点、激振点和拾 振点的位置。动应力振动动应力d应为工作应力的1/21/3，或按：（b-s)/3db/3,振动时效工艺文件：在进行焊接构件振动时效工艺前，应由技 术人员编写和下达振动时效工艺文件。 振动时效工艺效果的评定工艺参数观测法：频率幅度（a-n)；时间幅度(a-t)残余应力测量比较法尺寸精度稳定性测量法,标准附录的内容： 非熔化焊结构的振动时效可参考本标准； 接头应力集中系数应小于2.8； 振动时效无去氢和恢复塑性的功能不易用于有抗脆断要求的材料； 可与振动焊接、热时效、焊趾锤击/焊趾超声波冲击等工艺组合应用； 矫形到位后再进行振动时效，可以采用预应力的振动矫形； 对重要产品的振动时效工艺应先进行振动时效工艺评定；,5 应用振动时效的构件设计 及注意事项,振动时效工艺满足构件运行特征； 材料有良好的塑性； 结构几何比较均匀（壁厚、断面变化）； 尽量避免点焊、跳焊、塞焊和搭接焊等应力集中系数较高的连接； 构件声学性能适合振动，有支撑和固定激振器的条件，容易形成弯曲、扭转、扭曲、钟型、鼓型等振动； 矫形到位后再进行振动时效。,
