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焊接殘余應力的控制與消除方法

來源:焊接殘余應力的控制與消除方法作者:李經理網址:http://www.szryjp.com瀏覽數:659 
文章附圖

1、焊接殘余應力產生的原因

  對構件進行焊接時,在焊件上會產生局部高溫的不均勻溫度場,焊接中心處溫度可達160℃,高溫區的鋼材會發生較大程度的膨脹伸長,但受到相鄰鋼材的約束,從而在焊件內引起較高的溫度應力,并在焊接過程中,隨時間和溫度而不斷變化,稱其為焊接應力。焊接應力較高的部位,甚至將達到鋼材的屈服強度而發生塑性變形,因而鋼材冷卻后將有殘余于焊件內的應力,稱為焊接殘余應力。并且在冷卻過程中,鋼材由于不能自由收縮,而受到拉伸,于是焊件中出現了一個與焊件加熱方向大致相反的內應力場。殘余應力是一種自相平衡的力系,當構件承受載荷時,如受拉、受壓等,載荷引起的應力將與截面殘余應力相疊加,從而使構件某些部位提前達到屈服強度,并發生塑性變形,故會嚴重降低構件的剛度和穩定性以及結構疲勞強度。

2、焊接殘余應力對結構性能的影響

焊接殘余應力對結構影響是非常不利的,主要是表現在以下幾個方面:

1)對構件剛度的影響

  當外載產生的應力與結構中某區域的殘余應力疊加之和達到屈服點δs時,這一區域的材料就會產生局部塑性變形,喪失了進一步承受外載的能力,造成結構的有效截面積減小,結構的剛度也隨之降低。

2)對受壓桿件穩定性的影響

  當外載引起的壓應力與殘余應力中的壓應力疊加之和δs,這一部分截面就喪失進一步承受外載的能力。折舊削弱了構件的有效截面面積,并改變了有效面面積的分布,降低了受壓桿件的穩定性。

3)對靜載強度的影響

沒有嚴重應力集中的焊接結構,只要材料具有一定的塑性變形能力,殘余應力不影響結構的靜載強度。如材料處于脆性狀態,則拉伸殘余應力和外載應力疊加有可能是局部的應力首先達到斷裂強度,導致結構早期破壞。

4)對疲勞強度的影響

殘余應力的存在時結合在的應力循環發生偏移。這種偏移,只改變其平均值,不改變其幅值。結構的疲勞強度與應力循環的特征有關,當應力循環的平均值增加時,其極限幅值就會降低,反之則提高,因此,如應力集中存在著拉伸殘余應力,疲勞強度將降低。

5)對焊件加工精度和尺寸穩定性的影響

    機械加工把一部分材料從焊件上切除時,此處的殘余應力也被釋放。殘余應力原來的平衡狀態被破壞,焊件發生變形,加工精度受到影響。

6)應力腐蝕開裂的影響

  應力腐蝕開裂是拉伸殘余應力和化學腐蝕工作作用下產生裂紋的現象,在一定材料和介質的組合下發生。應力腐蝕開裂所需的時間與殘余應力大小有關,拉伸殘余應力越大,應力腐蝕開裂的時間越短。

3、焊接殘余應力的控制與消除的方法

鑒于焊接殘余應力的不利影響,必須采取措施控制其產生和進行部分消除,常用的焊接殘余應力控制方法有:利用焊接順序和方法控制焊接殘余應力,利用降低結構局部剛度控制焊接殘余應力,利用錘擊焊縫區控制焊接殘余應力,利用預熱控制焊接殘余應力,利用“加熱減應區法”控制焊接殘余應力,利用高溫回火消除殘余應力,利用機械拉伸法消除焊接殘余應力,利用溫差拉伸法消除焊接殘余應力,利用超生波振動消除焊接殘余應力(本文重點),利用爆炸法消除焊接殘余應力,焊接接頭的設計優化。

其中利用振動波振動消除焊接殘余應力省時、省力,可以大幅提高企業生產效率,降低生產成本,下面就講解下如何利用超生波振動消除焊接殘余應力。

構件承受變載荷應力達到一定數值,經過多次循環加載后,結構中的殘余應力逐漸降低,即利用超聲波振動的方法可以消除焊接殘余應力。

超聲波振動法的優點是設備簡單易操作、成本低、工效高,沒有高溫回火時的氧化問題,消除應力主要在工廠進行。

超聲波振動是利用金屬在常溫狀態下的冷塑性特點,結合高束能對金屬零件進行強化和微小形變處理,機械加工中通過高束能沖擊原理結合到機械各種加工中,實現微小孔納米級加工,機械加工技術,使金屬零件表面達到更理想的表面粗糙度、消除殘余應力、減少刀具損耗、減少工序和人力開支,同時在零件表面產生壓應力,提高零件表面的顯微硬度、耐磨性及耐腐蝕性,延長疲勞壽命。

高束能是一種包含激光束、電子束、離子束、高頻高束能加工的通稱,由電能轉換的、高頻的(頻率是20~100KHZ)、高能量密度的且振幅很小的高束能機械能和溫度略高于室溫的激活能的復合能量,通過各種傳遞方式將能量打入金屬組織內部改變金屬塑性,從而實現金屬改性加工,在機械加工中效率更高、效果正好;解決了機械行業加工中諸多機械問題;可加工HRC65度以下零件,金屬表面光潔度提高3個等級以上,一次裝夾光潔度最高可達Ra0.02μm超鏡面效果,從而達到提高工件疲勞強度,消除殘余應力的效果。