焊接殘余應力及VSR工藝剪實用教案

1、低碳鋼屈服(qf)限與溫度的關系屈服(qf)強度（MPa）溫度(wnd)600400200實際曲線簡化曲線1.2 焊接殘余應力的形成過程第1頁/共41頁第一頁，共42頁。受拘束鋼棒在熱循環(huán)中的應力應變(yngbin)演變過程溫度(wnd)500時間(shjin)時間應力MPa600-ss-s第2頁/共41頁第二頁，共42頁。金屬框架的溫度(wnd)應力與殘余應力加熱膨脹受拘束產(chǎn)生溫度應力（壓應力）壓縮(y su)屈服變形冷卻收宿受拘束產(chǎn)生殘余應力（拉應力）拉伸屈服變形第3頁/共41頁第三頁，共42頁。焊接(hnji)溫度場焊接(hnji)方向1100800500300250第4頁/共41頁第四

2、頁，共42頁。平板(pngbn)堆焊焊接溫度場600500300200-10-8-6-4-202468100200400600800溫度位置cmABCD第5頁/共41頁第五頁，共42頁。A600500600500BCD平板堆焊(du hn)的應力演變過程-10-8-6-4-202468100200400600800溫度位置cm第6頁/共41頁第六頁，共42頁。ABCABC焊縫(hn fn)各截面中的縱向殘余應力（x）的分布不同長度焊縫中的縱向(zn xin)殘余應力（x）的分布ss1.3 一般接頭的殘余(cny)應力分布第7頁/共41頁第七頁，共42頁。塑性變形帶寬(di kun)Bp筒體半徑

3、(bnjng)R板厚第8頁/共41頁第八頁，共42頁。圓筒縱向殘余(cny)應力的形成規(guī)律 由于圓筒環(huán)焊縫的半徑在焊接后縮小，焊縫比在平板上有更大的自由度，故縱向殘余應力xx一般比平板上的低。應力大小取決于圓筒半徑R R、壁厚以及塑性變形區(qū)寬度bpbp。當壁厚不變， x x隨R R的減小而降低(jingd)(jingd)，隨 bp bp的減小而增加。 例： 50mm50mm、R R700mm700mm、埋弧自動焊，故縱向殘余應力平均值xx124MPa124MPa。第9頁/共41頁第九頁，共42頁。02004006008001000-0.20.00.20.40.60.8x/Ep圓筒半徑R,mmb

4、p12bp20bp30bp40bp50bp80筒體半徑(bnjng)R，mmx/Ep02004008006000。810000。20。40。60第10頁/共41頁第十頁，共42頁?？v向應力縱向應力x引起(ynq)的橫向應力y-+-x/3第11頁/共41頁第十一頁，共42頁。syy拘束(jsh)條件對橫向應力的影響第12頁/共41頁第十二頁，共42頁。-125MPa240MPa230MPa280MPa125MPa85MPa420MPa厚度(hud)向應力z縱向(zn xin)應力x橫向(hn xin)應力y厚板焊接的三向殘余應力(10Cr2Mo)ZYX第13頁/共41頁第十三頁，共42頁。1.4

5、 1.4 殘余應力對焊接(hnji)(hnji)結(jié)構(gòu)的影響對靜強度(qingd)的影響：對塑性材料影響不明顯，但三軸拉應力時有不利影響；對脆性材料有不利影響。對機加工精度的影響：由于殘余應力的不穩(wěn)定性造成構(gòu)件的尺寸不穩(wěn)定。對抗應力腐蝕性能的影響：有影響；與材料及作用時間相關。第14頁/共41頁第十四頁，共42頁。殘余應力對受壓桿件穩(wěn)定性的影響(yngxing)：一般影響(yngxing)不明顯，但對翼緣的寬度與厚度比（B/b)較大的H型截面，其局部失穩(wěn)會引起整體失穩(wěn)；殘余應力將通過這一因素起作用。Bb第15頁/共41頁第十五頁，共42頁。對剛度的影響：加載造成殘余(cny)應力的釋放，對運行的

6、前期有影響。PL1L2G1G2剛度(n d):G=tgP/LG1G2第16頁/共41頁第十六頁，共42頁。 對疲勞壽命的影響： 對min/max比值較低的有影響； 消應力(yngl)可以提高疲勞壽命； 殘余應力(yngl)在應力(yngl)集中較高時影響更大。Lg(N)d106107消應力(yngl)第17頁/共41頁第十七頁，共42頁。1.5 1.5 常用消應力(yngl)(yngl)技術 整體(zhngt)高溫回火 局部高溫回火 機械拉伸 溫差拉伸 振動第18頁/共41頁第十八頁，共42頁。2 振動(zhndng)時效的消應力原理振動(zhndng)傳感器橡膠墊構(gòu)件(gujin)激振器振動

7、主機偏心塊第19頁/共41頁第十九頁，共42頁。振動(zhndng)時效的對象：三種內(nèi)應力 宏觀應力、微觀應力、超微觀應力 1）第一類應力宏觀應力：在整個斷面(dun min)平衡的應力；如地鐵列車啟動時的乘客分布密度。第20頁/共41頁第二十頁，共42頁。 2）第二類應力微觀應力：由若干顆晶粒相互作用；組織不均勻性、排列的無序性、幾何的多樣性、晶界的應力集中所形成的內(nèi)應力。如一節(jié)地鐵車箱內(nèi)啟動時的乘客分布(fnb)密度。第21頁/共41頁第二十一頁，共42頁。3)第三類應力超微觀應力：由于晶粒內(nèi)部晶格排列畸變(jbin)位錯所形成的應力。如車廂一角的乘客分布。第22頁/共41頁第二十二頁，共

8、42頁。振動時效(shxio)的消應力原理包辛格效應 可以通過(tnggu)(tnggu)振動時效降低三類內(nèi)應力；振動時效實質(zhì)是以機械的振動方式對工件施加附加應力，當附加應力與殘余應力疊加后其總應力達到或超過某一數(shù)值后，在應力集中的地方超過金屬材料屈服強度時，工件內(nèi)部發(fā)生宏觀和微觀的塑性變形包辛格效應，從而降低了該點殘余應力的峰值，使應力均勻化，金屬的抗變形能力提高。 v第23頁/共41頁第二十三頁，共42頁。pv第24頁/共41頁第二十四頁，共42頁。振動(zhndng)時效機理振動(zhndng)作用于宏觀應力振動動應力與宏觀殘余應力疊加，合成應力大于彈性極限時造成屈服，使高應力下降，應力

9、均化，尺寸穩(wěn)定性提高。特別在應力集中部位有可能形成較大拉應力屈服區(qū)外應力卸載后形成壓應力保護區(qū)，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；在振動時效的前期這種效應(xioyng)起主要作用。第25頁/共41頁第二十五頁，共42頁。振動時效機理(j l)振動作用于微觀應力 振動動應力與微觀應力疊加；特別在應力集中部位形成(xngchng)較大的剪應力，造成滑移屈服；使晶粒由不穩(wěn)定狀況進入穩(wěn)定狀況，高的二類應力下降，應力均化，組織穩(wěn)定性提高。振動時效中后期，當宏觀殘余應力與動應力的疊加值已明顯低于屈服強度時，這種效應仍起作用，通過微觀屈服的積累，形成(xngchng)振動時效效果。第26頁/共41頁第二十六頁，共42頁

10、。振動時效機理振動作用(zuyng)于超微觀應力 振動能促使位錯移動，位錯移動減弱畸變的比例，晶粒的穩(wěn)定性提高；部分位錯移動到晶界，且由于位錯的釘扎作用，使材料的強度上升，從而也擴展了結(jié)構(gòu)(jigu)的彈性工作區(qū)間。第27頁/共41頁第二十七頁，共42頁。金屬材料的拉伸(l shn)曲線PVPVLDP/(4D2)= 第28頁/共41頁第二十八頁，共42頁。焊接試板不同(b tn)(b tn)區(qū)域在 - - 曲線上的位置BA第29頁/共41頁第二十九頁，共42頁。應用(yngyng)非線性 過程的消應力原理 非線性狀況(zhungkung)ABCED應變(yngbin)2等效應力下降應力動態(tài)應力

11、母材焊縫中心線彈性狀況動態(tài)應力應變1第30頁/共41頁第三十頁，共42頁。殘余(cny)(cny)應力基于非線性曲線的變化過程第31頁/共41頁第三十一頁，共42頁。 VSR VSR與熱時效(shxio)(shxio)的比較振動時效振動時效熱時效熱時效消應力消應力消應力、消應力、去氫、恢復塑性去氫、恢復塑性效果：效果：20205050效果：效果：40408080適合大型重型構(gòu)件適合大型重型構(gòu)件尺寸受爐膛限制尺寸受爐膛限制周期短（幾十分鐘）周期短（幾十分鐘）周期長（數(shù)十個小時）周期長（數(shù)十個小時）無污染無污染有污有污無表面氧化無表面氧化表面氧化表面氧化工藝變形小工藝變形小工藝變形較大工藝變形較大

12、不適合需低溫韌性的構(gòu)件不適合需低溫韌性的構(gòu)件不適合異種金屬構(gòu)件不適合異種金屬構(gòu)件第32頁/共41頁第三十二頁，共42頁。振動時效與熱時效效果示比較(bjio)意圖應力(Mpa)熱時效(shxio)振動(zhndng)時效時間：振動時效分鐘；熱時效小時彈性極限/ /原始殘余應力水平(Mpa)(Mpa)彈性工作帶寬( (Mpa)Mpa)第33頁/共41頁第三十三頁，共42頁。3 振動時效替代(tdi)熱時效的原則與技術要求 僅考慮以尺寸(ch cun)(ch cun)穩(wěn)定性為目標的時效工藝； 消應力效果為20205050； 無去氫、恢復塑性的功能。第34頁/共41頁第三十四頁，共42頁。4 振動(

13、zhndng)時效技術標準1:1:機械電子工業(yè)部于19911991年1111月2727日批準，19921992年7 7月1 1日實施的（JB/T5926-91JB/T5926-91）；20032003年將頒布修改標準(biozhn)(biozhn)。2:2:機械研究院20032003年將頒布焊接構(gòu)件的振動時效技術標準(biozhn)(biozhn)。第35頁/共41頁第三十五頁，共42頁。技術標準中有關(yugun)構(gòu)件設計的內(nèi)容第36頁/共41頁第三十六頁，共42頁。第37頁/共41頁第三十七頁，共42頁。第38頁/共41頁第三十八頁，共42頁。標準附錄(fl)(fl)的內(nèi)容：非熔化焊結(jié)構(gòu)的

14、振動時效可參考本標準；接頭應力集中系數(shù)應小于2.82.8；振動時效無去氫和恢復塑性的功能不易用于有抗脆斷要求的材料；可與振動焊接、熱時效、焊趾錘擊/ /焊趾超聲波沖擊等工藝組合應用；矯形到位后再進行振動時效，可以采用預應力的振動矯形；對重要產(chǎn)品的振動時效工藝應先進行振動時效工藝評定；第39頁/共41頁第三十九頁，共42頁。5 應用振動(zhndng)時效的構(gòu)件設計及注意事項 振動時效(shxio)(shxio)工藝滿足構(gòu)件運行特征； 材料有良好的塑性； 結(jié)構(gòu)幾何比較均勻（壁厚、斷面變化）； 盡量避免點焊、跳焊、塞焊和搭接焊等應力集中系數(shù)較高的連接； 構(gòu)件聲學性能適合振動，有支撐和固定激振器的條件，容易形成彎曲、扭轉(zhuǎn)、扭曲、鐘型、鼓型等振動； 矯形到位后再進行振動時效(shxio)(shxio)。第40頁/共41頁第四十頁，共42頁。感謝您的觀看(gunkn)！第41頁/共41頁第四十一頁，共42頁。NoImage內(nèi)容