焊接残余应力课件.ppt

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1、西南交通大学轨道交通关键材料及工艺研究中心西南交通大学焊接研究所—Sunday,August22,2021—焊接残余应力无损检测技术目录残余应力的基本概念12焊接残余应力与变形的产生3焊接残余应力的分类及分布4焊接残余应力的测量方法5焊接残余应力对焊接结构的影响减少焊接残余应力的措施6一、残余应力的基本概念1、定义内应力：当产生应力的因素不存在时（如外力去除、温度已均匀、相变结束等），由于材料内部不均匀塑性变形（包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化），致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力称为残余应力，或者内应力。简单说就是没有外力或

2、外力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。2、内应力分类1973年Macherauch提出了新的内应力模型，将内应力分为三类，即第一类内应力、第二类内应力和第三类内应力。3、什么是残余应力国内科技文献习惯将于第一类内应力称为残余应力一般英、美文献中把第一类内应力称为“宏观应力”（Macrostress）；把第二类和第三类内应力合称为“微观应力”（Microstress）残余应力可以认为是第一类内应力的工程名称。至于通常所说的“热处理应力”，“焊接应力”，“铸造应力”等则是实施这些工艺的过程中产生并最终残留的残余应力（即第一类内应力）的简称

3、。二、焊接残余应力与变形的产生1、焊接残余应力定义：构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的。2、变形定义：物体在外力或温度等因素作用下，其形状与尺寸发生变化的现象。3、焊接残余应力的影响因素焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已发生塑性变形的这部分材料(如长焊缝的两侧)又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上被拉伸形成拉应力；与此同时，

4、熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将产生相应的拉应力。这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变，与其相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应力。而焊后，在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊接残余应力。三、焊接残余应力的分类1.按应力的分布范围2.根据结构中的空间位置3.根据应力与焊缝的相对位置4.根据应力产生、作用的时间5.根据应力形成的原因四、焊接残余应力的测量方法在现有的焊接残余应力测量方法中，按照其对被测构件的损伤程度可分为有损（机械法）和无损（物理法）这两大类。（1）钻孔法（小孔释放法）小孔释放法测量焊接残余应

5、力是由德国学者J.Mathar于1934年提出的，现已得到广泛应用，具有操作简单、测量方便、对构件损伤程度小等特点。根据钻孔是否钻通，小孔释放法又可分为通孔法和盲孔法。小孔释放法重要的一点是应变释放系数A、B的确定，通孔法应变释放系数可由Kirsch理论直接计算出，盲孔法应变释放系数则需用实验标定。钻孔法原理在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应力将重新调整，测得小孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理推算出小孔处的残余应力。对于厚度大的板或体型构件，可采用盲孔法测定残余应力，其操作方法与通孔法一致，只是盲孔深度要稍大于盲孔直

6、径，求得的残余应力是盲孔深度上的平均值，当钻孔深度达到某一尺寸时，继续增加钻孔深度就不在影响表面应力状态了。国外Bathgate、Kelsey等人都用实验证明了当钻孔深度等于孔径时，在表面上得到最大的释放值，此时释放系数与其后钻孔深度就没有关系了。在加载方向的径向应力分布左图所示。若在钻孔前将一应变片粘贴在受有应力的板上，距孔边0.5到1.5d（为孔径）处，钻孔时应变片将感受出因应力降低产生的应变（图2中阴影所示），这个应变显然和孔边的应力释放有关。钻孔引起的弹性径向释放应力盲孔法测试残余应力应变片示意图释放应力计算公式通孔应变释放系数A、B可

7、由Kirsch理论解得到下面的公式；盲孔法应变释放系数则需由标定试验确定。盲孔法应变释放系数A、B计算公式：小孔法测试设备钻孔装置静态应变测试仪将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变片或加工机械引伸计的标距孔，然后测原始读数，再切断，然后在读数。（2）切条法（3）X射线法X射线衍射法是目前最为成熟而且应用范围也最为广泛的测量结构表面残余应力方法，其优点如下：（1）理论成熟，测量精度高，测量结果准确、可靠。（2）由于X射线对材料的透射深度十分小，测定的表面层深度仅为10-35um，因此测定的是材料表面的应力状态，不会改变材料的状态，属于无损

8、测量。（3）可适用于精确测定应力沿层深的分布，但此时该方法不再是无损的，需要与其他剥除方法配合，逐层测定。由于X射线的穿透能力有限，所测得的仅仅是表层