焊接残余应力及VSR工艺剪

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焊接接头的特性1.2焊接残余应力的形成过程1.3一般接头的残余应力分布1.4残余应力对焊接结构的影响1.5常用消应力技术低碳钢屈服限与温度的关系屈服强度（MPa）温度℃600℃400℃200℃实际曲线简化曲线1.2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温度℃500℃时间时间应力MPa600℃-σsσs-σs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方向1100℃800℃500℃300℃250℃平板堆焊焊接温度场600℃500℃300℃200℃ABCDA600500600500－σσB－σσC－σσD－σσ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（σx）的分布不同长度焊缝中的纵向残余应力（σx）的分布σsσs1.3一般接头的残余应力分布塑性变形带宽Bp筒体半径R板厚δ筒体的纵向残余应力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，焊缝比在平板上有更大的自由度，故纵向残余应力σx一般比平板上的低。应力大小取决于圆筒半径R、壁厚δ以及塑性变形区宽度bp。当壁厚不变，σx随R的减小而降低，随bp的减小而增加。例：δ＝50mm、R＝700mm、埋弧自动焊，故纵向残余应力平均值σx＝124MPa。bp＝12bp＝20bp＝30bp＝40bp＝50bp＝80筒体半径R，mmσx/Eεp02004008006000。810000。20。40。60纵向应力纵向应力σx引起的横向应力σy-+-~σx/3σsσyσy拘束条件对横向应力的影响-125MPa240MPa230MPa280MPa125MPa85MPa420MPa厚度向应力σz纵向应力σx横向应力σy厚板焊接的三向残余应力(10Cr2Mo)ZYX1.4残余应力对焊接结构的影响对静强度的影响：对塑性材料影响不明显，但三轴拉应力时有不利影响；对脆性材料有不利影响。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不稳定。对抗应力腐蚀性能的影响：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：一般影响不明显，但对翼缘的宽度与厚度比（B/δb)较大的H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起作用。Bδb－＋对刚度的影响：加载造成残余应力的释放，对运行的前期有影响。PL1L2G1>G2刚度:G=tgα＝P/LG1G2对疲劳寿命的影响：对σmin/σmax比值较低的有影响；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。Lg(N)σd106107消应力1.5常用消应力技术整体高温回火局部高温回火机械拉伸温差拉伸振动2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

宏观应力、微观应力、超微观应力1）第一类应力－宏观应力：在整个断面平衡的应力；如地铁列车启动时的乘客分布密度。2）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的乘客分布密度。3)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。如车厢一角的乘客分布。

振动时效的消应力原理－包辛格效应

可以通过振动时效降低三类内应力；振动时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，金属的抗变形能力提高。vεpvσε振动时效机理－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。特别在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。振动时效机理－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，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，通过微观屈服的积累，形成振动时效效果。振动时效机理－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，使材料的强度上升，从而也扩展了结构的弹性工作区间。金属材料的拉伸曲线PεVσPVLεDP/(4ΠD2)=σ焊接试板不同区域在σ-ε曲线上的位置

εσBA应用非线性σ–ε过程的消应力原理非线性状况εσABCED应变2等效应力下降应力动态应力母材焊缝中心线弹性状况动态应力应变1残余应力基于σ–ε非线性曲线的变化过程σε原始残余应力振动后残余应力

VSR与热时效的比较振动时效热时效消应力消应力、去氢、恢复塑性效果：20－50％效果：40－80％适合大型重型构件尺寸受炉膛限制周期短（几十分钟）周期长（数十个小时）无污染有污无表面氧化表面氧化工艺变形小工艺变形较大不适合需低温韧性的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应力(Mpa)热时效振动时效时间：振动时效－分钟；热时效－小时弹性极限/原始残余应力水平(Mpa)弹性工作带宽(Mpa)3振动时效替代热时效

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；消应力效果为20％～50％；无去氢、恢复塑性的功能。4振动时效技术标准1:机械电子工业部于1991年11月27日批准，1992年7月1日实施的（JB/T5926-91）；2003年将颁布修改标准。2:机械研究院2003年将颁布焊接构件的振动时效技术标准。技术标准中有关构件设计的内容

材料：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，应首先进行类似材料及工艺的评定

频率：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16～200Hz范围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。动应力振动动应力σd应为工作应力的1/2~1/3，或按：（σb-σs)/3<σd<σb/3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工艺参数观测法：频率－幅度（a-n)；时间－幅度(a-t)残余应力测量比较法尺寸精度稳定性测量法

标准附录的内容：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2.8；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；可与振动焊接、热时效、焊趾锤击/焊趾超声波冲击等工艺组合应用；矫形到位后再进行振动时效，可以采用预应力的