焊接残余应力及VSR工艺剪课件

焊接残余应力与振动时效工艺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上海交通大学材料学院焊接技术研究所内容提要：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 1.1 焊接接头的特性焊接接头的特性1.2 1.2 焊接残余应力的形成过程焊接残余应力的形成过程1.3 1.3 一般接头的残余应力分布一般接头的残余应力分布1.4 1.4 残余应力对焊接结构的影响残余应力对焊接结构的影响1.5 1.5 常用消应力技术常用消应力技术低碳钢屈服限与温度的关系低碳钢屈服限与温度的关系屈服屈服强度强度（MPa）温度温度600400200实际曲线实际曲线简化曲线简化曲线1.2 焊接残余应力的形成过程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受拘束钢棒在热循环中的应力应变演变过程温度温度500时间时间时间时间应力应力MPa600-ss-s金属框架的温度应力与残余应力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）拉伸屈服变形焊接温度场焊接温度场焊接方向焊接方向1100800500300250平板堆焊焊接温度场平板堆焊焊接温度场600500300200ABCDA600500600500BCD平板堆焊的应力演变过程平板堆焊的应力演变过程ABCABC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ss1.3 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板厚板厚筒体的纵向残余应力筒体的纵向残余应力圆筒纵向残余应力的形成规律圆筒纵向残余应力的形成规律 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。bp12bp20bp30bp40bp50bp80筒体半径筒体半径R，mmx/Ep02004008006000。810000。20。40。60纵向应力纵向应力纵纵向向应应力力x引起的横向应力引起的横向应力y-+-x/3syy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)ZYX1.4 1.4 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：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1.5 1.5 常用消应力技术常用消应力技术整体高温回火整体高温回火局部高温回火局部高温回火机械拉伸机械拉伸温差拉伸温差拉伸振动振动2 振动时效的消应力原理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、超微观应力宏观应力、微观应力、超微观应力 1）第一类应力宏）第一类应力宏观应力：在整个断面观应力：在整个断面平衡的应力；如地铁平衡的应力；如地铁列车启动时的乘客分列车启动时的乘客分布密度。布密度。2）第二类应力微观应力：由若干颗）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、排列的无晶粒相互作用；组织不均匀性、排列的无序性、几何的多样性、晶界的应力集中所序性、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形成的内应力。如一节地铁车箱内启动时的乘客分布密度。的乘客分布密度。3)第三类应力超微观应力：由于晶粒内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。车厢一角的乘客分布。振动时效的消应力原理振动时效的消应力原理包辛格效应包辛格效应可以通过振动时效降低三类内应力；可以通过振动时效降低三类内应力；振动时振动时效实质是以机械的振动方式对工件施加附加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，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。金属的抗变形能力提高。vpv振动时效机理振动时效机理振动作用于宏观应力振动作用于宏观应力振动动应力与宏观残余应力叠加，合成应振动动应力与宏观残余应力叠加，合成应力大于弹性极限时造成屈服，使高应力下力大于弹性极限时造成屈服，使高应力下降，应力均化，尺寸稳定性提高降，应力均化，尺寸稳定性提高。特别在特别在应力集中部位有可能形成较大拉应力屈服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。种效应起主要作用。振动时效机理振动时效机理振动作用于微观应力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，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。积累，形成振动时效效果。振动时效机理振动时效机理振动作用于超微观应力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；部分位错移的比例，晶粒的稳定性提高；部分位错移动到晶界，且由于位错的钉扎作用，使材动到晶界，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料的强度上升，从而也扩展了结构的弹性工作区间。工作区间。金属材料的拉伸曲线金属材料的拉伸曲线PVPVLDP/(4D2)=焊接试板不同区域在焊接试板不同区域在-曲线上的位置曲线上的位置BA应用非线性应用非线性 过程的消应力原理过程的消应力原理 非线性状况非线性状况ABCED应变应变2等效应力等效应力下降应力下降应力动态应力动态应力母材母材焊缝中心焊缝中心线弹性状况线弹性状况动态应力动态应力应变应变1残余应力残余应力基于基于非线性非线性曲线的变化过程曲线的变化过程原始残余应力原始残余应力原始残余应力原始残余应力振动后残余应力振动后残余应力振动后残余应力振动后残余应力 VSRVSR与热时效的比较与热时效的比较振动时效振动时效热时效热时效消应力消应力消应力、消应力、去氢、恢复塑性去氢、恢复塑性效果：效果：20205050效果：效果：40408080适合大型重型构件适合大型重型构件尺寸受炉膛限制尺寸受炉膛限制周期短（几十分钟）周期短（几十分钟）周期长（数十个小时）周期长（数十个小时）无污染无污染有污有污无表面氧化无表面氧化表面氧化表面氧化工艺变形小工艺变形小工艺变形较大工艺变形较大不适合需低温韧性的构件不适合需低温韧性的构件不适合异种金属构件不适合异种金属构件振动时效与热时效效果示比较意图振动时效与热时效效果示比较意图应应力力(Mpa)热热时效时效振动时效振动时效时间：时间：振动时效分钟振动时效分钟；热时效小时热时效小时弹性极限弹性极限/原始残余应力水平原始残余应力水平(MpaMpa)弹性工作带宽弹性工作带宽(MpaMpa)3 振动时效替代热时效振动时效替代热时效的原则与技术要求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；仅考虑以尺寸稳定性为目标的时效工艺；消应力效果为消应力效果为20205050；无去氢、恢复塑性的功能。无去氢、恢复塑性的功能。4 振动时效技术标准振动时效技术标准1:1:机械电子工业部于机械电子工业部于19911991年年1111月月2727日批日批准，准，19921992年年7 7月月1 1日实施的（日实施的（JB/T5926-JB/T5926-9191）；20032003年将颁布修改标准。年将颁布修改标准。2:2:机械研究院机械研究院20032003年将颁布焊接构件的年将颁布焊接构件的振动时效技术标准振动时效技术标准。技术标准中有关构件设计的内容技术标准中有关构件设计的内容 材料：材料：材料：材料：适合碳素结构钢、低合金钢、铜和铜合金、铝适合碳素结构钢、低合金钢、铜和铜合金、铝适合碳素结构钢、低合金钢、铜和铜合金、铝适合碳素结构钢、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和铝合金、不锈钢、钛及钛合金熔化焊焊接构件的和铝合金、不锈钢、钛及钛合金熔化焊焊接构件的和铝合金、不锈钢、钛及钛合金熔化焊焊接构件的振动时效处理。振动时效处理。振动时效处理。振动时效处理。对其它材质焊接结构进行振动时效时，应首先对其它材质焊接结构进行振动时效时，应首先对其它材质焊接结构进行振动时效时，应首先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进行类似材料及工艺的评定进行类似材料及工艺的评定进行类似材料及工艺的评定 频率：频率：频率：频率：对重大、关键构件可做实际边界条件下的对重大、关键构件可做实际边界条件下的对重大、关键构件可做实际边界条件下的对重大、关键构件可做实际边界条件下的动应力有限元分析，求解出结构在动应力有限元分析，求解出结构在动应力有限元分析，求解出结构在动应力有限元分析，求解出结构在16161616200Hz200Hz200Hz200Hz范围范围范围范围内的固有频率和振型，以确定支撑点、激振点和拾内的固有频率和振型，以确定支撑点、激振点和拾内的固有频率和振型，以确定支撑点、激振点和拾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。振点的位置。振点的位置。振点的位置。动应力动应力动应力动应力 振动动应力振动动应力振动动应力振动动应力dddd应为工作应力的应为工作应力的应为工作应力的应为工作应力的1/21/31/21/31/21/31/21/3，或，或，或，或按：按：按：按：（b-s)/3b-s)/3b-s)/3b-s)/3ddddb/3b/3b/3b/3振动时效工艺文件：振动时效工艺文件：振动时效工艺文件：振动时效工艺文件：在进行焊接构件振动时效工艺前，应由技在进行焊接构件振动时效工艺前，应由技在进行焊接构件振动时效工艺前，应由技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。术人员编写和下达振动时效工艺文件。术人员编写和下达振动时效工艺文件。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振动时效工艺效果的评定振动时效工艺效果的评定振动时效工艺效果的评定 工艺参数观测法：工艺参数观测法：工艺参数观测法：工艺参数观测法：频率幅度（频率幅度（频率幅度（频率幅度（a-n)a-n)a-n)a-n)；时间幅度；时间幅度；时间幅度；时间幅度(a-t)(a-t)(a-t)(a-t)残余应力测量比较法残余应力测量比较法残余应力测量比较法残余应力测量比较法 尺寸精度稳定性测量法尺寸精度稳定性测量法尺寸精度稳定性测量法尺寸精度稳定性测量法 标准附录的内容：标准附录的内容：非熔化焊结构的振动时效可参考本标准；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接头应力集中系数应小于2.82.8；振动时效无去氢和恢复塑性的功能不易用于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；有抗脆断要求的材料；可与振动焊接、热时效、焊趾锤击可与振动焊接、热时效、焊趾锤击/焊趾超焊趾超声波冲击等工艺组合应用；声波冲击等工艺组合应用；矫形到位后再进行振动时效，可以采用预应矫形到位后再进行振动时效，可以采用预应力的振动矫形；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对重要产品的振动时效工艺应先进行振动时效工艺评定；效工艺评定；5 应用振动时效的构件设计应用振动时效的构件设计及注意事项及注意事项振动时效工艺满足构件运行特征；振动时效工艺满足构件运行特征；材料有良好的塑性；材料有良好的塑性；结构几何比较均匀（壁厚、断面变化）；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；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、鼓型条件，容易形成弯曲、扭转、扭曲、钟型、鼓型等振动；等振动；矫形到位后再进行振动时效。矫形到位后再进行振动时效。