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焊接殘余應(yīng)力與振動(dòng)時(shí)效工藝
上海交通大學(xué)材料學(xué)院焊接技術(shù)研究所內(nèi)容提要:1焊接接頭的殘余應(yīng)力2振動(dòng)時(shí)效的消應(yīng)力原理3用振動(dòng)時(shí)效替代熱時(shí)效的原則與技術(shù)要求4振動(dòng)時(shí)效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)5應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效的構(gòu)件設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)1焊接殘余應(yīng)力1.1焊接接頭的特性1.2焊接殘余應(yīng)力的形成過程1.3一般接頭的殘余應(yīng)力分布1.4殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響1.5常用消應(yīng)力技術(shù)低碳鋼屈服限與溫度的關(guān)系屈服強(qiáng)度(MPa)溫度℃600℃400℃200℃實(shí)際曲線簡(jiǎn)化曲線1.2焊接殘余應(yīng)力的形成過程受拘束鋼棒在熱循環(huán)中的應(yīng)力應(yīng)變演變過程溫度℃500℃時(shí)間時(shí)間應(yīng)力MPa600℃-σsσs-σs金屬框架的溫度應(yīng)力與殘余應(yīng)力加熱-膨脹-受拘束-產(chǎn)生溫度應(yīng)力(壓應(yīng)力)+壓縮屈服變形冷卻-收宿-受拘束-產(chǎn)生殘余應(yīng)力(拉應(yīng)力)+拉伸屈服變形焊接溫度場(chǎng)焊接方向1100℃800℃500℃300℃250℃平板堆焊焊接溫度場(chǎng)600℃500℃300℃200℃ABCDA600500600500-σσB-σσC-σσD-σσ平板堆焊的應(yīng)力演變過程ABCABC焊縫各截面中的縱向殘余應(yīng)力(σx)的分布不同長(zhǎng)度焊縫中的縱向殘余應(yīng)力(σx)的分布σsσs1.3一般接頭的殘余應(yīng)力分布塑性變形帶寬Bp筒體半徑R板厚δ筒體的縱向殘余應(yīng)力圓筒縱向殘余應(yīng)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(yīng)力σx一般比平板上的低。應(yīng)力大小取決于圓筒半徑R、壁厚δ以及塑性變形區(qū)寬度bp。當(dāng)壁厚不變,σx隨R的減小而降低,隨bp的減小而增加。例:δ=50mm、R=700mm、埋弧自動(dòng)焊,故縱向殘余應(yīng)力平均值σx=124MPa。bp=12bp=20bp=30bp=40bp=50bp=80筒體半徑R,mmσx/Eεp02004008006000。810000。20。40。60縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力σx引起的橫向應(yīng)力σy-+-~σx/3σsσyσy拘束條件對(duì)橫向應(yīng)力的影響-125MPa240MPa230MPa280MPa125MPa85MPa420MPa厚度向應(yīng)力σz縱向應(yīng)力σx橫向應(yīng)力σy厚板焊接的三向殘余應(yīng)力(10Cr2Mo)ZYX1.4殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響對(duì)靜強(qiáng)度的影響:對(duì)塑性材料影響不明顯,但三軸拉應(yīng)力時(shí)有不利影響;對(duì)脆性材料有不利影響。對(duì)機(jī)加工精度的影響:由于殘余應(yīng)力的不穩(wěn)定性造成構(gòu)件的尺寸不穩(wěn)定。對(duì)抗應(yīng)力腐蝕性能的影響:有影響;與材料及作用時(shí)間相關(guān)。殘余應(yīng)力對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響:一般影響不明顯,但對(duì)翼緣的寬度與厚度比(B/δb)較大的H型截面,其局部失穩(wěn)會(huì)引起整體失穩(wěn);殘余應(yīng)力將通過這一因素起作用。Bδb-+對(duì)剛度的影響:加載造成殘余應(yīng)力的釋放,對(duì)運(yùn)行的前期有影響。PL1L2G1>G2剛度:G=tgα=P/LG1G2對(duì)疲勞壽命的影響:對(duì)σmin/σmax比值較低的有影響;消應(yīng)力可以提高疲勞壽命;殘余應(yīng)力在應(yīng)力集中較高時(shí)影響更大。Lg(N)σd106107消應(yīng)力1.5常用消應(yīng)力技術(shù)整體高溫回火局部高溫回火機(jī)械拉伸溫差拉伸振動(dòng)2振動(dòng)時(shí)效的消應(yīng)力原理振動(dòng)傳感器橡膠墊構(gòu)件激振器振動(dòng)主機(jī)偏心塊振動(dòng)時(shí)效的對(duì)象:三種內(nèi)應(yīng)力
宏觀應(yīng)力、微觀應(yīng)力、超微觀應(yīng)力1)第一類應(yīng)力-宏觀應(yīng)力:在整個(gè)斷面平衡的應(yīng)力;如地鐵列車啟動(dòng)時(shí)的乘客分布密度。2)第二類應(yīng)力-微觀應(yīng)力:由若干顆晶粒相互作用;組織不均勻性、排列的無(wú)序性、幾何的多樣性、晶界的應(yīng)力集中所形成的內(nèi)應(yīng)力。如一節(jié)地鐵車箱內(nèi)啟動(dòng)時(shí)的乘客分布密度。3)第三類應(yīng)力-超微觀應(yīng)力:由于晶粒內(nèi)部晶格排列畸變-位錯(cuò)所形成的應(yīng)力。如車廂一角的乘客分布。
振動(dòng)時(shí)效的消應(yīng)力原理-包辛格效應(yīng)
可以通過振動(dòng)時(shí)效降低三類內(nèi)應(yīng)力;振動(dòng)時(shí)效實(shí)質(zhì)是以機(jī)械的振動(dòng)方式對(duì)工件施加附加應(yīng)力,當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后其總應(yīng)力達(dá)到或超過某一數(shù)值后,在應(yīng)力集中的地方超過金屬材料屈服強(qiáng)度時(shí),工件內(nèi)部發(fā)生宏觀和微觀的塑性變形-包辛格效應(yīng),從而降低了該點(diǎn)殘余應(yīng)力的峰值,使應(yīng)力均勻化,金屬的抗變形能力提高。vεpvσε振動(dòng)時(shí)效機(jī)理-振動(dòng)作用于宏觀應(yīng)力振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力與宏觀殘余應(yīng)力疊加,合成應(yīng)力大于彈性極限時(shí)造成屈服,使高應(yīng)力下降,應(yīng)力均化,尺寸穩(wěn)定性提高。特別在應(yīng)力集中部位有可能形成較大拉應(yīng)力屈服區(qū)-外應(yīng)力卸載后形成壓應(yīng)力保護(hù)區(qū),提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;在振動(dòng)時(shí)效的前期這種效應(yīng)起主要作用。振動(dòng)時(shí)效機(jī)理-振動(dòng)作用于微觀應(yīng)力振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力與微觀應(yīng)力疊加;特別在應(yīng)力集中部位形成較大的剪應(yīng)力,造成滑移屈服;使晶粒由不穩(wěn)定狀況進(jìn)入穩(wěn)定狀況,高的二類應(yīng)力下降,應(yīng)力均化,組織穩(wěn)定性提高。振動(dòng)時(shí)效中后期,當(dāng)宏觀殘余應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)力的疊加值已明顯低于屈服強(qiáng)度時(shí),這種效應(yīng)仍起作用,通過微觀屈服的積累,形成振動(dòng)時(shí)效效果。振動(dòng)時(shí)效機(jī)理-振動(dòng)作用于超微觀應(yīng)力振動(dòng)能促使位錯(cuò)移動(dòng),位錯(cuò)移動(dòng)減弱畸變的比例,晶粒的穩(wěn)定性提高;部分位錯(cuò)移動(dòng)到晶界,且由于位錯(cuò)的釘扎作用,使材料的強(qiáng)度上升,從而也擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的彈性工作區(qū)間。金屬材料的拉伸曲線PεVσPVLεDP/(4ΠD2)=σ焊接試板不同區(qū)域在σ-ε曲線上的位置
εσBA應(yīng)用非線性σ–ε過程的消應(yīng)力原理非線性狀況εσABCED應(yīng)變2等效應(yīng)力下降應(yīng)力動(dòng)態(tài)應(yīng)力母材焊縫中心線彈性狀況動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變1殘余應(yīng)力基于σ–ε非線性曲線的變化過程σε原始?xì)堄鄳?yīng)力振動(dòng)后殘余應(yīng)力
VSR與熱時(shí)效的比較振動(dòng)時(shí)效熱時(shí)效消應(yīng)力消應(yīng)力、去氫、恢復(fù)塑性效果:20-50%效果:40-80%適合大型重型構(gòu)件尺寸受爐膛限制周期短(幾十分鐘)周期長(zhǎng)(數(shù)十個(gè)小時(shí))無(wú)污染有污無(wú)表面氧化表面氧化工藝變形小工藝變形較大不適合需低溫韌性的構(gòu)件不適合異種金屬構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效效果示比較意圖應(yīng)力(Mpa)熱時(shí)效振動(dòng)時(shí)效時(shí)間:振動(dòng)時(shí)效-分鐘;熱時(shí)效-小時(shí)彈性極限/原始?xì)堄鄳?yīng)力水平(Mpa)彈性工作帶寬(Mpa)3振動(dòng)時(shí)效替代熱時(shí)效
的原則與技術(shù)要求僅考慮以尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的時(shí)效工藝;消應(yīng)力效果為20%~50%;無(wú)去氫、恢復(fù)塑性的功能。4振動(dòng)時(shí)效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1:機(jī)械電子工業(yè)部于1991年11月27日批準(zhǔn),1992年7月1日實(shí)施的(JB/T5926-91);2003年將頒布修改標(biāo)準(zhǔn)。2:機(jī)械研究院2003年將頒布焊接構(gòu)件的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)構(gòu)件設(shè)計(jì)的內(nèi)容
材料:適合碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、銅和銅合金、鋁和鋁合金、不銹鋼、鈦及鈦合金熔化焊焊接構(gòu)件的振動(dòng)時(shí)效處理。對(duì)其它材質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效時(shí),應(yīng)首先進(jìn)行類似材料及工藝的評(píng)定
頻率:對(duì)重大、關(guān)鍵構(gòu)件可做實(shí)際邊界條件下的動(dòng)應(yīng)力有限元分析,求解出結(jié)構(gòu)在16~200Hz范圍內(nèi)的固有頻率和振型,以確定支撐點(diǎn)、激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)的位置。動(dòng)應(yīng)力振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力σd應(yīng)為工作應(yīng)力的1/2~1/3,或按:(σb-σs)/3<σd<σb/3振動(dòng)時(shí)效工藝文件:在進(jìn)行焊接構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效工藝前,應(yīng)由技術(shù)人員編寫和下達(dá)振動(dòng)時(shí)效工藝文件。振動(dòng)時(shí)效工藝效果的評(píng)定工藝參數(shù)觀測(cè)法:頻率-幅度(a-n);時(shí)間-幅度(a-t)殘余應(yīng)力測(cè)量比較法尺寸精度穩(wěn)定性測(cè)量法
標(biāo)準(zhǔn)附錄的內(nèi)容:非熔化焊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)效可參考本標(biāo)準(zhǔn);接頭應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)小于2.8;振動(dòng)時(shí)效無(wú)去氫和恢復(fù)塑性的功能不易用于有抗脆斷要求的材料;可與振動(dòng)焊接、熱時(shí)效、焊趾錘擊/焊趾超聲波沖擊等工藝組合應(yīng)用;矯形到位后再進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效,可以采用預(yù)應(yīng)力的
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