焊接残余应力的产生检测以及消除措施

2021-04-01 12:04:36 sciaps

一,残余应力的产生机理:


  各种机械加工工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会产生不同程度残余应力。


     1、机械加工引起的残余应力


    2、温度不均匀引起的残余应力


  这种残余应力的产生主要有以下两种原因:第一是由于温度不均匀造成局部热塑性变形;第二是由于相变引起的体积膨胀不均匀造成局部塑性变形。


  3、构件尺寸公差引起的残余应力


  在焊接、铆接、螺钉连接时往往有公差配合问题。如船体分段对接时必须将对接钢板拉到一起,这些由外力拉到一起而组合的结构,当外力去除后,整个系统就出现了残余应力。这种应力一般来说属于结构应力,大多数情况下处于弹性状态。


二,残余应力的影响


   金属构件(铸件、焊接件、锻件),在加工过程中,产生残余应力,高者在屈服极限附近。构件中的残余应力大多数表现出很大的危害作用;如使构件的强度降低、降低工件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂,由于残余应力的松弛,使构件产生变形,影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的残余应力,就显得十分必要。


 1、对金属材料屈服极限的影响


如果材料具有拉伸残余应力,相当于降低了材料的拉伸屈服极限。如果材料具有压缩残余应力的情况,使拉伸屈服极限提高而压缩屈服极限降低。


  2、残余应力对疲劳寿命的影响


   人们很早就知道,当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时,该构件的疲劳强度会有所提高,而存在拉伸残余应力时,其疲劳强度会有所下降。电镀处理的残余应力由于工艺电流、电镀液种类、温度等的不同,使其分布和量值的差异很大,因此电镀残余应力对疲劳强度的影响变化也很大。多数金属在电镀后表面产生拉伸残余应力,因此将大大降低疲劳强度。


  3、残余应力对构件变形的影响


   残余应力是一个不稳定的应力状态。当构件受到外力作用时,作用应力与残余应力的相互作用,使某些局部呈现塑性变形,截面内应力重新分配,当外力作用去除时整个构件将要发生变形。所以残余应力明显地影响着加工后的构件精度。


  4、残余应力对金属脆性破坏的影响


   残余应力是作为初始应力存在于构件内,特别是拉伸残余应力与作用拉应力叠加而加速了脆性破坏。


  5、残余应力对应力腐蚀开裂的影响


    金属与周围介质的接触而产生化学作用所引起的破坏称做腐蚀。如果在发生腐蚀的同时还有应力的作用,则会加速腐蚀破坏,这就是应力腐蚀开裂。它的特点是:一是拉应力与腐蚀共存。二是由于材料成分和组织不同、介质不同等,对应力腐蚀的敏感性也不同。有时在不发生腐蚀的介质中,有些金属在应力作用下也发生应力腐蚀现象。三是在应力腐蚀开裂过程中,首先出现点蚀,再逐步扩展成裂纹,裂纹的扩展主要是沿着最大主应力垂直的方向进行,在微观上是沿着材料晶界或穿过晶粒进行。

三,残余应力检测方法:

   1,X射线衍射法:最常用的残余应力检测方式,优点:无损检测操作简单,对多晶材料测试,可检测残余奥氏体含量。

   2,超声波应力检测法:测量深度可达5M,无辐射,无损检测

   3,盲孔法和环芯法残余应力测量:盲孔法和环芯法有损检测,测试时间非常长,还对被测件有破坏。大批量工程应用不可能

   4,磁测法残余应力检测只能用于磁性材料,只能对大型的部件初步判断,不能区分应力方向,精度极低


四,残余应力的消除方法


 1、机械冲击法:包括锤击(铁锤、气锤等)、超声冲击、喷丸法等


   a、消除焊接残余应力(消除拉伸残余应力,产生有益的压缩残余应力):通过冲击枪冲击处理金属,使金属表面及一定深度发生塑性变形,从而消除拉伸残余应力。


   b、延长焊接接头疲劳寿命:在焊趾上处理出一条光滑连续的凹槽,降低应力集中系数,同时使焊趾区形成压应力,细化焊趾区晶粒,可数十倍甚至上百倍提高焊接接头疲劳寿命。因为90%以上的焊接结构疲劳断裂是由焊趾疲劳开裂引起的,焊趾疲劳寿命提高了,焊接结构寿命自然也提高了。


   c、强化金属抗应力腐蚀:细化金属晶粒、提高综合机械性能


2、振动时效法


    将一个偏心电机安装在构件上,通过控制电机转速使得构件和电机共振,达到消除构件残余应力的目的。消除应力一般30%左右。适合尺寸大的部件。但是,振动时效严格说来并不是消除残余应力,而是均化残余应力,而且振动时效在工作的时候,如果震动的太厉害是有可能把焊缝震裂开的。缺点:能耗高、成本高、污染大、周期长。


3、热处理时效

   是传统的消除残余应力的方法。它借助热处理设施,将工件由室温缓慢、均匀加热至600℃左右,并在此温度保温4-8h,而后温度缓慢冷却到120℃以下,再出炉冷却至室温。优点:可整体消应力,既能消除拉伸应力,也能消除压缩应力。可消除80~90%的残余应力。小工件可批量处理。


4、自然时效


   将工件放在室外等自然条件下,使工件内部应力自然释放从而使残余应力消除或减少。依靠大自然的力量,经过几个月至几年的风吹、 日晒、雨淋和季节的温度变化,给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下,促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。



首页
产品
联系