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焊接殘余應(yīng)力分析及消除焊接應(yīng)力方法總結(jié)

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一,、什么是焊接應(yīng)力


焊接應(yīng)力,,是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力,。

焊接過(guò)程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和焊接熱過(guò)程引起的焊件的形狀和尺寸變化,。焊接過(guò)程的不均勻溫度場(chǎng)以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場(chǎng)尚未消失時(shí),,焊件中的這種應(yīng)力和變形稱為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形,;焊接溫度場(chǎng)消失后的應(yīng)力和變形稱為殘余焊接應(yīng)力和變形。在沒(méi)有外力作用的條件下,,焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的,。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會(huì)影響焊件的功能和外觀。

二,、焊接應(yīng)力的危害

焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊件有 6個(gè)方面的影響:


① 對(duì)強(qiáng)度的影響:如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在嚴(yán)重的缺陷,,而焊件又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作,則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強(qiáng)度降低,。在循環(huán)應(yīng)力作用下,如果在應(yīng)力集中處存在著殘余拉應(yīng)力,,則焊接殘余拉應(yīng)力將使焊件的疲勞強(qiáng)度降低,。焊件的疲勞強(qiáng)度除與殘余應(yīng)力的大小有關(guān)外,還與焊件的應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)[6][min]/[6][max]和循環(huán)應(yīng)力的**大值[6][max]有關(guān)其影響隨應(yīng)力集中系數(shù)的降低而減弱,,隨[6][min]/[6][max]的降低而加劇,,隨[6][max]的增加而減弱。當(dāng)[6][max]接近于屈服強(qiáng)度時(shí),,殘余應(yīng)力的影響逐漸消失,。


② 對(duì)剛度的影響:焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力相疊加,可能使焊件局部提前屈服產(chǎn)生塑性變形,。焊件的剛度會(huì)因此而降低,。


③ 對(duì)受壓焊件穩(wěn)定性的影響:焊接桿件受壓時(shí),焊接殘余應(yīng)力與外載所引起的應(yīng)力相疊加,可能使桿件局部屈服或使桿件局部失穩(wěn),,桿件的整體穩(wěn)定性將因此而降低,。殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性的影響取決于桿件的幾何形狀和內(nèi)應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力對(duì)非封閉截面(如工字形截面)桿件的影響比封閉截面(如箱形截面)的影響大,。


④ 對(duì)加工精度的影響:焊接殘余應(yīng)力的存在對(duì)焊件的加工精度有不同程度的影響,。焊件的剛度越小,加工量越大,,對(duì)精度的影響也越大,。


⑤ 對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響:焊接殘余應(yīng)力隨時(shí)間發(fā)生一定的變化,焊件的尺寸也隨之變化,。焊件的尺寸穩(wěn)定性又受到殘余應(yīng)力穩(wěn)定性的影響,。


⑥ 對(duì)耐腐蝕性的影響:焊接殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力一樣也能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。


焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的影響:焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力,,在構(gòu)件服役過(guò)程中,,和其他所受荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加,使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布,,不但會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下,,還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力,、抵抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和高溫變開(kāi)裂的能力,。

三、焊接應(yīng)力的消除方法

目前采用的消除應(yīng)力的失效方法有振動(dòng)時(shí)效(消除30%~50%的應(yīng)力),、熱時(shí)效(消除40%~70%的應(yīng)力)豪克能PT時(shí)效(消除80%~100%的應(yīng)力),。


預(yù)熱

對(duì)重要的焊接構(gòu)件先進(jìn)行整體熱時(shí)效,然后再現(xiàn)場(chǎng)與其他構(gòu)件進(jìn)行組合焊接的拼焊工藝是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造常采用的方法,。其具有焊縫去氫,、恢復(fù)塑形和消除應(yīng)力的三重功能。一般認(rèn)為熱時(shí)效的消除應(yīng)力的效果為40%以上,。

?重熔

焊趾缺陷是一種焊道融合線上中難以避免的小而尖銳,、連續(xù)的缺陷,往往成為結(jié)構(gòu)疲勞破壞的裂紋源,。




常采用TIG重熔工藝對(duì)焊趾進(jìn)行修整,,重建裂紋起裂前的狀態(tài),降低由于焊趾缺陷所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象,,以延長(zhǎng)疲勞壽命,。同時(shí)TIG重熔也能改善焊縫區(qū)的橫向殘余應(yīng)力;重熔對(duì)于焊縫縱向殘余應(yīng)力的改善不明顯,,殘余應(yīng)力絕對(duì)值下降不大,;但對(duì)于縱向殘余應(yīng)力的均勻分布有一定效果。但對(duì)橫向殘余應(yīng)力有明顯的改善效果,殘余應(yīng)力的絕對(duì)值下降明顯而且分布趨于均勻,。


振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效是對(duì)構(gòu)件施加交變應(yīng)力,,與構(gòu)件上的殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服應(yīng)力,發(fā)生局部的宏觀和微觀塑性變形,;這種塑形變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力**大和構(gòu)件應(yīng)力集中點(diǎn),,使這里的殘余應(yīng)力得以釋放,達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的作用,。

盡管振動(dòng)時(shí)效設(shè)備不具備去氫和恢復(fù)塑形的功能,,但從尺寸穩(wěn)定性比較,已經(jīng)達(dá)到和超過(guò)熱時(shí)效的水平,;振動(dòng)時(shí)效是一種以消除應(yīng)力,、提高尺寸穩(wěn)定性為目的替代熱時(shí)效的先進(jìn)工藝。

振動(dòng)焊接

振動(dòng)焊接又稱為振動(dòng)調(diào)制焊接,、隨焊振動(dòng),;在振動(dòng)時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)附錄中,已確認(rèn)為可與振動(dòng)時(shí)效進(jìn)行組合的工藝之一,。其不改變?cè)械暮附庸に?,在焊接過(guò)程中,通過(guò)激振器對(duì)構(gòu)件注入頻率和振幅可控的振動(dòng),,即形成振動(dòng)焊接,。這種振幅的振動(dòng),勢(shì)必對(duì)焊接熔池和熱影響區(qū)產(chǎn)生一定的作用:

(1),、當(dāng)焊縫在金屬熔融狀態(tài)下,,由于振動(dòng)使氣泡、雜質(zhì)等容易上浮,、排除,。

(2)、再結(jié)晶過(guò)程中振動(dòng)晶粒,,有利于晶粒細(xì)化,;

(3)、溫度大于600攝氏度的區(qū)域,,材料在強(qiáng)度逐步恢復(fù)、冷卻的過(guò)程中,,伴隨振動(dòng)的熱塑性變形,,使逐步得到的焊接殘余應(yīng)力降低和均化,以減少焊接變形和焊接裂紋的形成,。



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