焊接残余应力生成与工艺对策

1、1 焊接接头的残余应力焊接接头的残余应力2 几种典型的消应力原理几种典型的消应力原理1 11 1 焊接接头的特性焊接接头的特性1 12 2 焊接残余应力的形成过程焊接残余应力的形成过程1 13 3 一般接头的残余应力分布一般接头的残余应力分布1 14 4 残余应力对焊接结构的影响残余应力对焊接结构的影响焊缝金属熔合线热影响区母材组织成分不同焊接变形与残余应力焊趾与咬边11 焊接接头的特性焊接接头的特性焊缝焊缝金属金属细晶细晶区区粗大珠粗大珠光体区光体区脆性区脆性区基本基本金属金属粗粗晶晶区区15001200750900400强度强度塑性塑性焊接接头的力学性能焊接接头的力学性能韧性韧性粗细晶区粗

2、细晶区细晶细晶区区基本金属基本金属焊缝焊缝金属金属粗晶粗晶区区15004007501200 900200屈服屈服强度强度（MPa）温度温度600400200实际曲线实际曲线简化曲线简化曲线12 焊接残余应力的形成过程焊接残余应力的形成过程温度温度500时间时间时间时间应力应力MPa600-ss-s加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形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）拉伸屈服变形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形焊接方向焊接方向1100800500300250600500300200-10-8-6-4-202468100

3、200400600800温度位置cmABCDA600500600500BCD平板堆焊的纵向应力演变过程平板堆焊的纵向应力演变过程-10-8-6-4-202468100200400600800温度位置cmABCABC焊缝各截面中的纵向残余应力（焊缝各截面中的纵向残余应力（x）的分布）的分布不同长度焊缝中的纵向残余应力不同长度焊缝中的纵向残余应力（x）的分布的分布ss13 一般接头的残余应力分布一般接头的残余应力分布塑性变形带宽塑性变形带宽Bp筒体筒体半径半径R板厚板厚 由于圆筒环焊缝的半径在焊接后缩小，由于圆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，故纵向焊缝比在平板上有更大的自

4、由度，故纵向残余应力残余应力xx一般比平板上的低。应力大小一般比平板上的低。应力大小取决于圆筒半径取决于圆筒半径R R、壁厚、壁厚以及塑性变形区以及塑性变形区宽度宽度bpbp。当壁厚不变，。当壁厚不变， xx随随R R的减小而降的减小而降低，随低，随 bpbp的减小而增加。的减小而增加。 例：例： 50mm50mm、R R700mm700mm、埋弧自动、埋弧自动焊，故纵向残余应力平均值焊，故纵向残余应力平均值xx124MPa124MPa。02004006008001000-0.20.00.20.40.60.8x/Ep圆筒半径R,mmbp12bp20bp30bp40bp50bp80筒体半径筒体半

5、径R，mmx/Ep02004008006000。810000。20。40。60纵向应力纵向应力x引起的横向应力引起的横向应力y-+-x/3xysyy拘束条件对横向应力的影响拘束条件对横向应力的影响-125MPa240MPa230MPa280MPa125MPa85MPa420MPa厚度向厚度向应力应力z纵向应力纵向应力x横向应力横向应力y厚板焊接的三向残余应力厚板焊接的三向残余应力(10Cr2Mo)ZYX对静强度的影响：对静强度的影响： 对塑性材料影响不明显，但三轴拉应力时对塑性材料影响不明显，但三轴拉应力时有不利影响；有不利影响； 对脆性材料有不利影响。对脆性材料有不利影响。对机加工精度的影响

6、：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由于残余应力的不稳定性造成构件的尺寸不稳定。不稳定。对抗应力腐蚀性能的影响：对抗应力腐蚀性能的影响： 有影响；与材料及作用时间相关。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：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一般影响不明显，但对翼缘的宽度与厚度比（比（B/b)较大的较大的H型截面，其局部失稳会型截面，其局部失稳会引起整体失稳；残余应力将通过这一因素引起整体失稳；残余应力将通过这一因素起作用。起作用。Bb对刚度的影响：对刚度的影响： 加载造成残余应力的释放，对运行的前期加载造成残余

7、应力的释放，对运行的前期有影响。有影响。PL1L2G1G2刚度刚度:G=tgP/LG1G2 对疲劳寿命的影响：对疲劳寿命的影响： 对对min/max比值较低的有影响；比值较低的有影响； 消应力可以提高疲劳寿命；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。残余应力在应力集中较高时影响更大。Lg(N)d106107消应力消应力 整体热处理整体热处理 局部热处理局部热处理 机械拉伸、挤压机械拉伸、挤压 温差拉伸、温差控制焊接（低应力无变形焊接）温差拉伸、温差控制焊接（低应力无变形焊接） 振动振动* 表面冲击（喷丸、锤击或超声冲击表面冲击（喷丸、锤击或超声冲击*） 爆炸消应力爆炸消应力

8、 焊趾重熔焊趾重熔* 振动调制焊接振动调制焊接* 采用低温相变焊材采用低温相变焊材*21：振动时效：振动时效参数：激振力、激振点、支撑点、激振时间和激振频率22：振动调制焊接振动调制焊接 试验设计激振器激振器电渣焊电渣焊机头机头试板试板弹性减弹性减振基础振基础振动测振动测量系统量系统振动调振动调制主机制主机data0 data2 data1 0.3g时的基础振型焊缝中心data1 data2 data0 0.6g时的基础振型焊缝中心焊缝中心温度温度测量测量现场现场侧弯试验合格率侧弯试验合格率侧弯试验合格率侧弯试验合格率北京电视塔立柱北京电视塔立柱电渣焊冒孔测点电渣焊冒孔测点23：超声表面冲击：

9、超声表面冲击对电渣焊冒孔的冲击对电渣焊冒孔的冲击对比测点的布置对比测点的布置未冲击测点未冲击测点原位置原位置冲击后测点冲击后测点2浅打磨浅打磨冲击后测点冲击后测点1深打磨深打磨全焊缝表面全焊缝表面冲击区冲击区焊趾焊趾冲击区冲击区原始焊缝原始焊缝对比区对比区对埋弧焊焊缝的冲击对埋弧焊焊缝的冲击不同焊接工艺的残余应力比较不同焊接工艺的残余应力比较电渣焊冲击前后应力的比较电渣焊冲击前后应力的比较全熔透埋弧焊冲击前后的应力比较全熔透埋弧焊冲击前后的应力比较非熔透埋弧焊冲击前后应力比较非熔透埋弧焊冲击前后应力比较 超声冲击法对残余应力在分布速度的影响超声冲击法对残余应力在分布速度的影响051015-60

10、0-400-2000200400Data: Data2_BModel: ExpDec1 Equation: y = A1*exp(-x/t1) + y0 Weighting:yNo weighting Chi2/DoF= 4350.3175R2= 0.97202 y0314.31938? 1.81631A1-891.20959? 7.96746t11.46063? .26324残余 应力（MPa)测量深度（mm) 测量值 回归 曲 线残余 应力峰值下降20的交点（4.4,271)(1.5,0)24：焊趾重熔：焊趾重熔TIG重熔重熔TIG重熔的残余应力重熔的残余应力X射线法测定射线法测定25：应用低温相变焊条的焊接残余应力：应用低温相变焊条的焊接残余应力（Low Transformation Temperature