焊接残余应力.pptx

焊接培训教材焊接培训教材焊接焊接残余应力残余应力 张明录一二三目录 焊接残余应力的分布残余应力对结构性能的影响消除残余应力对结构性能的影响知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容焊接焊接残余应力残余应力 掌握焊接残余应力的掌握焊接残余应力的类型及其在各种截面上类型及其在各种截面上的应力分布状态。掌握的应力分布状态。掌握焊接残余应力对焊接结焊接残余应力对焊接结构力学行为的影响规律构力学行为的影响规律 纵向残余应力、横纵向残余应力、横向残余应力以及厚度方向残余应力以及厚度方向残余应力沿焊缝长度、向残余应力沿焊缝长度、宽度和厚度方向上的基宽度和厚度方向上的基本分布规律本分布规律一.焊接残余应力的分布纵向应力纵向应力x：沿焊缝沿焊缝方向上的应力方向上的应力横向应力横向应力y：垂直于焊缝垂直于焊缝方向上的应力方向上的应力 z：厚度厚度方向方向上的应力上的应力1)纵向残余应力在纵向上的分布纵向残余应力在纵向上的分布 1.纵向纵向残余应力的残余应力的分布分布原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。总结：总结：板条中部区，板条中部区，焊缝纵向残余应力焊缝纵向残余应力基本保持不变。在基本保持不变。在板条的端部存在一板条的端部存在一个内应力的过渡区，个内应力的过渡区，纵向残余应力逐渐纵向残余应力逐渐降至零。降至零。不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布 不同焊缝长度不同焊缝长度x值的变化值的变化中间拉应力，两侧压应力中间拉应力，两侧压应力2)纵向残余应力在纵向上的分布纵向残余应力在纵向上的分布 低碳钢低碳钢 铝合金铝合金焊缝焊缝纵向应力沿板材横向上的分布纵向应力沿板材横向上的分布x=sxs与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关3)3)圆筒环形焊圆筒环形焊圆筒圆筒环焊缝纵向残余应力的分布环焊缝纵向残余应力的分布低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较大时，分布与平板相似，大时，分布与平板相似，x=s圆筒直径与壁厚之比较小时，圆筒直径与壁厚之比较小时，xs 环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊接塑性变形区宽度的关系接塑性变形区宽度的关系取决于圆筒的半径取决于圆筒的半径R、壁、壁厚厚、塑变区的宽度、塑变区的宽度bp2.横向残余应力的横向残余应力的分布分布y y 由焊缝及其附近的塑性变形区的由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩纵向收缩引起的引起的y=+(叠加叠加)y由焊缝及其附近的塑性变形区的由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩横向收缩的不的不 同时性所引起的同时性所引起的两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。若沿焊缝中心将构件一分为二，相当于板边堆焊变形、若沿焊缝中心将构件一分为二，相当于板边堆焊变形、向外侧弯曲向外侧弯曲 必须在必须在1)1)y分析：分析：y-+纵向应力纵向应力x引起的横向应力引起的横向应力y不同材料、工艺会形成不同的应力分布不同材料、工艺会形成不同的应力分布不同材料、工艺会形成不同的应力分布不同材料、工艺会形成不同的应力分布不同不同长度焊缝中的横向残余应力（长度焊缝中的横向残余应力（y）的分布）的分布不同长度焊缝中的横向残余应力不同长度焊缝中的横向残余应力（y）的分布的分布 焊缝焊接有先后之分，不同时完成。先焊先冷焊缝焊接有先后之分，不同时完成。先焊先冷(受压受压应力应力)，后焊后冷，后焊后冷(受拉应力受拉应力)。同时，先冷却的部分有。同时，先冷却的部分有限制后冷却部分的横向收缩限制后冷却部分的横向收缩。y 的分布与焊接方向、分段方法、焊接顺序有关的分布与焊接方向、分段方法、焊接顺序有关。2)2)y分分析：析：T1T2恢复弹性阶段恢复弹性阶段全塑性阶段全塑性阶段熔化态阶段熔化态阶段 1 2 3 1 2 3 4 对对接接过过程程中中，设设将将焊焊缝缝分分为为三三个个区区域域，电电弧弧位位于于某某点点时时，区区段段I的的焊焊缝缝金金属属恢恢复复弹弹性性，区区段段II的的焊焊缝缝金金属属处处于于完完全全塑塑性性状状态态，区区段段III的的焊焊缝缝金金属属处于熔化状态。处于熔化状态。开始，区段I的焊缝金属横向收缩不会受到区段II和区段III的拘束，此时属于自由变形，不会产生横向残余应力，只是接头宽度有微量缩小。中间过程，区段II的焊缝金属恢复到弹性状态并开始横向收缩，将受到区段I的拘束，在II段的上端和区段I的下端产生横向拉伸应力，在区段I和II的结合处产生横向压应力，此时区段III的焊缝金属处于完全塑性状态，对区段II的横向收缩不起约束作用。当区段III恢复弹性时，其收缩受到区段I和II的拘，使y扩展。s不同不同焊接顺序对横向应力的影响焊接顺序对横向应力的影响不同焊接顺序对横向应力不同焊接顺序对横向应力y的影响的影响从中间向两端焊从中间向两端焊从两端向中间焊从两端向中间焊3)3)总总的的y大小受大小受s的限制的限制 横向应力沿板宽上的分布横向应力沿板宽上的分布4 4)横向应力在板宽方向上的分布横向应力在板宽方向上的分布焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。3.厚板中的残余应力厚板中的残余应力 厚板中的残余应力：厚板中的残余应力：x y z 三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工艺差别艺差别很大。很大。厚板对接焊多层多道焊的三向残余应力(10Cr2Mo)ZYX-125MPa厚度方向应厚度方向应力力z240MPa230MPa280MPa纵向应力纵向应力x125MPa85MPa420MPa横向应力横向应力y厚板厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布4.拘束状态下焊接的内应力拘束状态下焊接的内应力=y+f结论：结论：由拘束产生的反作用力由拘束产生的反作用力f与自由状态下焊接产生的横与自由状态下焊接产生的横向残余应力向残余应力y之和。之和。=x+f结论结论：焊缝焊缝引起的纵向收缩引起的纵向收缩受到限制，将产生纵向反受到限制，将产生纵向反作用内应力作用内应力f。焊缝还将。焊缝还将引起纵向应力引起纵向应力x，最终最终的内应力是二者的综合。的内应力是二者的综合。注意注意 反反作作用用应应力力是是拉拉应应力力，且且分分布布范范围围大大，对对结结构构的的影影响响较较大大，在在设设计计和和施施工工时时应应注注意意采采取取措施消除或减少。措施消除或减少。5.封闭封闭焊缝引起的内应力焊缝引起的内应力封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。容器接管焊缝容器接管焊缝(x)r(y)封闭封闭环焊缝残余应力分布环焊缝残余应力分布a-封闭环焊缝封闭环焊缝b-纵横应力分布纵横应力分布r(y)(x)1）中部）中部存在均匀的双轴应存在均匀的双轴应力力场。场。2）中心）中心的应力的大小与的应力的大小与镶镶块直径块直径d和和圆盘直径圆盘直径D的比的比值有关，值有关，d/D越小，拘束度越小，拘束度越大，镶块中的内应力越越大，镶块中的内应力越大。大。6.相变应力相变应力（a）相变温度高于塑性温度）相变温度高于塑性温度（b）相变温度低于塑性温度）相变温度低于塑性温度 钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线高强高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响焊缝金属为奥氏体钢焊缝成分与母材相近二.焊接残余应力对焊接结构性能的影响1.焊接残余应力对静载强度的影响焊接残余应力对静载强度的影响内应力：内应力：焊缝及近缝区，拉应力；远离焊缝，压应力焊缝及近缝区，拉应力；远离焊缝，压应力外应力：外应力：总应力：总应力：内应力内应力+外应力外应力塑性材料：塑性材料：有足够的塑性变形能力，无影响有足够的塑性变形能力，无影响1）外）外应力与内应力叠加，当拉应力应力与内应力叠加，当拉应力峰值达到材料的屈服极限峰值达到材料的屈服极限s后，该后，该区域的应力不再增加，而产生塑性区域的应力不再增加，而产生塑性变形。变形。2）继续）继续增加外力，构件中尚未屈服增加外力，构件中尚未屈服的区域的应力值继续增加并逐渐屈的区域的应力值继续增加并逐渐屈服，直至整个截面上应力完全达到服，直至整个截面上应力完全达到s，应力就全面均匀化了。，应力就全面均匀化了。3）由于）由于初始内应力是平衡的，即拉初始内应力是平衡的，即拉应力和压应力的面积相等。所以使应力和压应力的面积相等。所以使构件截面完全屈服所需要施加的外构件截面完全屈服所需要施加的外力与无内应力而使构件完全屈服所力与无内应力而使构件完全屈服所需要施加的外力是相等的。需要施加的外力是相等的。塑性材料塑性材料脆性材料：脆性材料：材料发生局部破坏材料发生局部破坏，降低，降低静载强度静载强度脆性材料脆性材料 当当外载荷增加时，由于材料外载荷增加时，由于材料不能发生塑性变形而使构件上不能发生塑性变形而使构件上的应力均匀化，因而应力峰值的应力均匀化，因而应力峰值不断增加，一直达到材料的断不断增加，一直达到材料的断裂极限裂极限 。这将造成局部破。这将造成局部破坏，从而导致整个构件断裂。坏，从而导致整个构件断裂。2.焊接残余应力对刚度的影响焊接残余应力对刚度的影响刚度：刚度：构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位长度所需的外力。长度所需的外力。E：弹性模量；：弹性模量；L：构件长度；：构件长度；F：外力；：外力；A：构件截面积。：构件截面积。伸长量伸长量刚度刚度拉伸残余应力拉伸残余应力 刚度减小刚度减小1）加载）加载过程过程b区域：区域：B-bB-b区域：区域：外外力力作作用用消消失失，各各区区的的应应力力均均匀下降匀下降2）卸载）卸载过程过程回弹量回弹量()卸载后，相对于卸载前伸长了卸载后，相对于卸载前伸长了b区域：区域：B-b区域：区域：假假使使构构件件中中存存在在着着与与外外力力方方向向一一致致的的内内应应力力，而而内内应应力力的的数数值值又又达达到到 ，则则在在外外力力作作用用下下刚刚度度将将降降低，而且在卸载后构件的原来尺寸也不能完全恢复。低，而且在卸载后构件的原来尺寸也不能完全恢复。刚刚度度的的降降低低程程度度与与b/B的的比比值值有有关关，b所所占占的的比比例例越大，对刚度的影响也越大。越大，对刚度的影响也越大。v 即即焊焊接接构构件件经经过过一一次次加加载载和和卸卸载载后后，如如再再加加载载，只只要要其其大大小小不不超超过过前前一一次次，内内应应力力就就不不再再起作用，外载也不影响内应力的分布。起作用，外载也不影响内应力的分布。v 只只适适用用于于静静载载，对对频频率率较较高高、次次数数较较多多的的变变载荷另当别论，载荷另当别论，结论：结论：3.焊接残余应力对杆件受压稳定性的影响焊接残余应力对杆件受压稳定性的影响 两端铰支的受压杆件，在弹性范围内工作时，其失稳两端铰支的受压杆件，在弹性范围内工作时，其失稳的临界应力，可由下式求得：的临界应力，可由下式求得：E：弹性模量；弹性模量；l：受压杆件的自由长度；受压杆件的自由长度；I：为构件截面惯性矩；为构件截面惯性矩；A：截面积。截面积。：细长比；细长比；：截面惯性距半径。截面惯性距半径。受压前受压前受压后受压后F 受受压压焊焊接接柱柱的的弹弹性性区区与与拉拉伸伸残残余余应应力力相相对对应应，如如果果能能使使残残余余拉拉应应力力区区远远离离截截面面中中性性轴轴，则则会会大大大大提提高高有有效效截面惯性距，从而提高临界应力。截面惯性距，从而提高临界应力。气体火焰加热翼板边缘两板叠焊v内内应应力力的的影影响响只只在在构构件件的的一一定定长长细细比比范范围围内内起作用起作用。v即：即：30 150范围内较明显。范围内较明显。残余应力残余应力对焊接杆件受压失稳强度的影响对焊接杆件受压失稳强度的影响4.焊接残余应力对构件精度和尺寸稳定性的影响焊接残余应力对构件精度和尺寸稳定性的影响 即即焊接应力是否会在长期存放过程中随时焊接应力是否会在长期存放过程中随时间变化，而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精间变化，而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度度。焊接应力稳定性：焊接应力稳定性：焊焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的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。形，加工精度难以保证。机械机械加工引起的内应力释放和加工引起的内应力释放和变形变形原因：原因：加圧板加圧板一是蠕变和应力松弛；一是蠕变和应力松弛；二是不稳定组织的存在。二是不稳定组织的存在。为保证尺寸稳定，为保证尺寸稳定，焊后要进行热处理，使组织稳定，并使残余应力消除，然后再进行然后再进行机械加工。机械加工。造成构件尺寸不稳定的原因主要有两方面：谢谢 谢谢