焊接残余应力消除方法

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1、一、焊接残余应力的分类1．根据应力性质划分：拉应力、压应力2．根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力3．根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力4．根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力5．根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力二、焊接残余应力的分布规律1．纵向应力бx的分布бx在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。бx在焊

2、件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，бx=0，越靠近纵截面的中间，бx越大，逐渐趋近于бs。板边堆焊时，бx在焊缝横截面上的分布。焊接对接圆筒环焊缝的纵向残余应力（切向应力）分布如图3所示。它的残余应力分布不同于平板对接，其σx的大小与圆筒直径、壁厚、圆筒化学成分和压缩塑性变形区的宽度有关。T形接头的бx分布与立板和水平板尺寸有很大关系，δ/h越小，接近于板边堆焊的情况；δ/h越大，接近于等宽板对接的情况。2．横向应力бy的分布бy=бy′+бy″бy′：焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的

3、横向应力；бy″：焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。图5(a)所示为两块平板对接的板件，图中表示连接后室温板件的应力分布。板件中间受拉，两侧受压。如果假想沿焊缝中心将板件一分为二，就相当于板边堆焊，有焊缝一边产生压缩变形，无焊缝一边出现伸长变形〔见图5(b)〕，要使两块板件恢复原来位置，应在两端加上横向拉应力。由此推断，焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩会使用板件两端存在着压应力，而中心部位存在着拉应力〔见图5(c)〕。同时两端压应力的最大值要比拉应力的值大得多。图6所示为

4、不同长度的焊缝其σ′y的分布规律，只是长焊缝中部的拉应力将有所降低，其他的基本相同。 焊缝的横向应力分布还与焊接速度、焊接方向和顺序等有关。长焊缝平板对接，焊接速度很慢，在引弧端会产生高值的横向拉伸残余应力，而在焊缝中部为压应力。由此看出，慢焊速平板对接焊缝的横向应力分布图形的正负符号，与短板快速焊时图6所示的符号相反。不同焊接方向σ″y的分布规律也不相同。一条焊缝如果不能同时完成，先焊部分先冷却，后焊部分后冷却。先冷却的焊缝限制后冷却焊缝限制后冷却焊缝的横向收缩。这种相互制约构成了横向应力σ″

5、y。此外，一条焊缝从中间分成两段焊时，先焊的焊缝部分受压，后焊的焊缝部分受拉（见图7，图中箭头表示焊接方向），直通焊的尾部σ″y受拉。分段焊法的σy有多次正负反复，拉应力峰值往往高于直通焊。从以上分析可知，横向应力应σy和σ′y和σ″y组合而成。从减小总横向应力σy来看，应合理地选用不同的分段和不同的焊接方向。3．特殊情况下的焊接残余应力①厚板中的焊接残余应力②封闭焊缝中的残余应力③焊接梁柱中的残余应力④拘束状态下焊接残余应力 3.1 厚板中的残余应力图8所示为厚板对接多层焊模型的横向残余应力分

6、布情况。图8(a)中间为填充材料，随着填充材料厚度的增加，横向收缩应力σy也沿z轴向上移动，并在已填充的坡口的纵截面上引起应力。若板材在焊接中可自由变形，即板边在无拘束的情况下，随着坡口填充层的增加，产生急剧的角收缩，导致横向残余应力在焊根部位为高值拉应力，如图8(b)所示。相反，厚板根部如果采用刚性约束，则发生图8(c)所示的根部为高值横向残余压应力。前面已述，厚板结构中除了存在纵向和横向应力之外，还存在着较大的厚度方向的残余应力σz。这三个方向的残余应力在厚度方向上的分布很不均匀。其分布与焊

7、接工艺有直接的关系。图9所示材料为低碳钢，在图中的技术条件下，焊后焊缝根部σy的值极高，大大超过了材料的屈服强度σs，产生这种情况的原因是，多层焊时每焊一层一道都会使焊接接头产生一次角变形，在根部引起一次拉伸塑性变形。数次塑性变形的积累，使根部金属发生硬化，应力不断上升，严重时会导致焊缝根部开裂。焊接时，如果限制焊缝的角变形，则根部可能出现压应力。3.2封闭焊缝的残余应力分布封闭焊缝如管道接管、人孔法兰、镶块，在船舶、换热器、锅炉、压力容器、壳体等结构上经常会使用。这些焊缝是封闭的，拘束度大，因

8、此焊接残余应力比自由状态下焊接大。图10所示为封闭焊缝的残余应力，图中曲线表明内板部位是一个均匀的双轴拉应力区，即径向应力σr等于切向应力σθ；径向应力σr和切向应力σθ均为拉应力，在焊缝附近的切向拉应力为最大；焊缝外侧拉应力逐渐下降，切向应力变为压应力。残余应力值的大小和分布规律与镶入体本身的刚度和圆形封闭焊缝的半径R有直接关系。当R趋于零时，则为点状加热时的残余应力场。当R逐渐增大时，切向应力和径向应力曲线也做相应的变形。当R→∞时，圆形封闭焊缝近似直线焊缝，径向应力则变为沿焊缝方向的纵向应