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干货 | 焊接残余应力对构件的危害

发布时间:2020/03/05

焊件在焊接过程中,由于受到了不均匀的局部加热和冷却,使焊件产生了不均匀的体积膨胀和收缩,导致焊件内部产生了焊接残余应力。

 

焊接残余应力的产生 :

1、焊件在焊接过程中,其焊缝高温区的膨胀受到了周边低温区的限制与挤压,使高温区产生局部压缩塑性变形,当焊件在冷却过程中,受到局部压缩产生塑性变形的金属由于不能自由收缩,而受到低温区的拉伸。这时,焊件中就产生了一个与焊件加热时产生的应力方向相反的应力,即焊接残余应力,又称温度应力。

 

2、焊缝在高温向低温冷却的过程中,焊缝金属会发生二次相变,这种二次相变,会引起金属材料组织的变化,从而产生体积的变化,在焊接接头区域产生了应力,又称相变应力。

 

3.在焊接过程中,如对焊件采用刚性固定,那么焊接后焊件变形减少,但应力却增加。反之,要使焊件残余应力减少,其变形量就一定要有增加。但焊接应力与变形在一定条件下,都将影响到焊件的质量。

 

焊缝残余应力检测方法

 

盲孔法: 盲孔法进行焊接残余应力检测,利用应变片的压电原理,通过打孔进行应力释放,将形变型号转变为电信号进行传输再逆转,得到形变数据信息,利用软件分析仪器将形变转化为应力输出。

盲孔法示意图

 

取条法: 从具有焊接残余应力的样件上取矩形等截面细直条状试样,使试样残余应力完全释放,测量应力释放前后的尺寸变化,进行计算得知应力大小;这种方法和盲孔法的基本原理一致。

 

X射线衍射法: 该方法检测残余应力的根据是弹性力学和X射线晶体学理论,对于理想的多晶体,在无应力的状态下,不同方位同族晶面间距是相等的。而当受到一定的表面残余应力时,不同晶粒的同族晶面间距随着晶面方位及应力的大小发生有规律的变化,从而使X射线衍射谱线发生偏移,根据偏移的大小可以计算出残余应力。

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磁测法: 其原理是铁磁材料上拾取磁场信息,处于地磁环境下铁磁构件能够在载荷的作用下,应力和应变的集中区域在磁致伸缩的原理下会发生磁畴组织定向和不可逆的重生取向,在载荷消除后也会保留下来,形成漏磁场磁感率Hp变化,通过检测这个参数的变化得知应力的大小。

 

焊接残余应力对构件的危害:

1、对构件刚度的影响当外载产生的应力与构件中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时,这一区域的材料就会产生局部塑性变形,丧失了进一步承受外载的能力,造成构件的有效截面积减小,构件的刚度也随之降低。

 

2、对静载强度的影响没有严重应力集中的焊接结构,只要材料具有一定的塑性变形能力,残余应力不会影响结构的静载强度。反之,如果材料处于脆性状态,则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度,导致结构早期破坏。

3、对疲劳强度的影响残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。这种偏移只改变其平均值,不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关,当应力循环的平均值增加时,其极限幅值就降低,反之则提高。因此如应力集中处存在着拉伸残余应力,疲劳强度将降低。

 

4、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响机械加工把一部分材料从焊件上切除时,此处的残余应力也被释放。残余应力原来的平衡状态被破坏,焊件发生变形,加工精度受到影响。 5、对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象,在一定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需要的时间与残余应力大小有关,拉伸残余应力越大,应力腐蚀开裂的时间越短。

 

焊接残余应力的减小和消除

设计措施

(1)在保证焊件结构强度的前提下,可适量采用冲压结构,以减少焊接结构,尽量减少焊缝的数量化和截面尺寸。同时,焊缝不要过于集中,以防局部区域的热量输入过大。

 

(2)焊缝尽量布置在最大工作应力区以外,防止焊接残余应力与外部载荷产生应力叠加,影响构件测承载能力,并尽量防止焊缝过于集中、交叉、保持较好的焊接操作性。

 

(3)采用降低局部刚度的方法和合理的接头方式,使焊缝能较自由的收缩,减少焊接接头产生应力集中现象。

 

(4)采取热输入较小和能量密度集中的焊接方法来减小焊接残余应力,如氩弧焊与离子弧焊等。

 

工艺措施

(1)在焊接过程中,要先焊错开的短焊缝、收缩量较大的焊缝和受力较大的焊缝。同时,根据不同的焊件机构采取相应的焊接顺序,这样才能使焊缝有较大的收缩自由,保证焊缝中的残余应力尽可能减少,并保证焊件的焊接残余应力的分布要合理。

 

(2)在焊接拘束度较大的焊缝时,要注意降低焊缝的拘束度。例如,可采用反变形法来降低焊件的局部刚度,减少了焊缝的拘束应力。

 

(3)采用合理的工艺参数及核实的加工方法。如先用小直径焊丝,采用较小的焊接电流及提高焊接速度等方法来控制焊接热输入,也可采用预热、加热减应区及捶击等方法,来减少焊缝的焊接残余应力。

 

(4)数字化仿真 使用翔博自主研发的多工艺连续仿真软件,可以对工件制作流程进行连续仿真。在对焊接工艺进行仿真时,仅需选择相应焊接工艺,选择相应的焊接方式,输入热源、温度及其他数据,即可分析出焊缝的残余应力分布。

焊缝分析实例

 

焊接残余应力在焊接工艺中极易产生,它对焊件的质量危害较大,造成焊件疲劳强度降低,加工精度和稳定性降低,减少了焊件的使用寿命。所以,预防和控制焊接残余应力非常重要。关注翔博科技,我们将会为您带来更多工艺制造优化方案。