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残余应力的危害及消除方法

发表时间 : 2017/10/17 11:52:18

一、焊接残余应力对构件的危害:

         1、对结构刚度的影响

当外载产生的应力与结构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,造成结构的有效截面积减小,结构的刚度也随之降低。

 2、对受压杆件稳定性的影响

        当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点时,这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。就削弱了构件的有效截面积,并改变了有效截面积的分布,降低了受压杆件的稳定性。

 3、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,

残余应力不影响结构的静载强度。反之,如材料处于脆性状态,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。

         残余应力检测.jpg

                                                                 图:残余应力检测

 4、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。

5、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,加工精度受影响。

  6、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。

 焊接残余应力消除方法:

 1、利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力

 焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域,使金属展开,能有效地减少焊接残余应力。

焊接残余应力超声波消除机.jpg

                                           图:焊接残余应力超声波消除机

2、利用预热法来控制焊接残余应力

        构件本体上温差越大,焊接残余应力也越大。焊前对构件进行预热,能减小温差和减慢冷却速度,两者均能减小焊接残余应力。

         豪克能超声冲击消除焊接残余应力装置.jpg

                                  图:豪克能超声冲击消除焊接残余应力装置

3、利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力

焊接时,加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位,使之与焊接区同时膨胀和同时收缩,就能减小焊接应力,这种方法称为“加热减应区法”,加热的部位就称之为“减应区”。

1.jpg

        4、利用高温回火来消除焊接残余应力

       由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点,而金属在高温下屈服点将降低。所以将构件的温度升高至某一定数值时,应力的最大值也应该减少到该温度下的屈服点数值。如果要完全消除结构中的残余应力,则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度,所以一般所取的回火温度接近于这个温度。

       整体高温回火

将整个构件放在炉中加热到一定温度,然后保温一段时间再冷却。通过整体高温回火可以将构件中80%~90%的残余应力消除掉,这是生产中应用最广泛、效果最好的一种消除残余应力的方法。

回火时间随构件厚度而定,钢按每毫米壁厚l~2min计算,但不宜低于30min,不必高于3h,因为残余应力的消除效果随时间迅速降低,所以过长的处理时间是不必要的。  

局部高温回火

只对焊缝及其局部区域进行加热消除残余应力。消除应力的效果不如整体高温回火,此方法设备简单,常用于比较简单的、刚度较小的构件,如长筒形容器、管道接头、长构件的对接接头等焊接残余应力的消除。

5、利用温差拉伸法来消除焊接残余应力

温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同,主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。

温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热,在焊炬后面一定距离,用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动。这就形成了一个两侧温度高(峰值约为200℃)、焊接区温度低(约为100℃)的温度差。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸,这样就可消除部分残余应力。据测定,消除残余应力的效果可达50%~70%。

数十分钟的振动处理消除其残余应力使尺寸精度获得稳定的一种方式.jpg

图:数十分钟的振动处理消除其残余应力使尺寸精度获得稳定的一种方式

6、利用振动法来消除焊接残余应力

构件承受变载荷应力达到一定数值,经过多次循环加载后,结构中的残余应力逐渐降低,即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。一种大型焊件使用振动器消除应力的装置。

        振动法的优点是设备简单、成本低,时间比较短,没有高温回火时的氧化问题,已在生产上得到一定应用。

振动消除应力.jpg

图:振动消除应力

7、爆炸法

通过布置在焊缝附近的炸药带,引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用,使金属产生适量的塑性变形,从而消除焊接残余应力的方法,叫焊接残余应力爆炸法。


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