殘余應力_焊接殘余應力的產生以及消除措施
產生殘余應力的機理:
各種機械加工工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會產生不同程度殘余應力。
一、機械加工引起的殘余應力
二、溫度不均勻引起的殘余應力
這種殘余應力的產生主要有以下兩種原因:第一是由于溫度不均勻造成局部熱塑性變形;第二是由于相變引起的體積膨脹不均勻造成局部塑性變形。
三、構件尺寸公差引起的殘余應力
在焊接、鉚接、螺釘連接時往往有公差配合問題。如船體分段對接時必須將對接鋼板拉到一起,這些由外力拉到一起而組合的結構,當外力去除后,整個系統就出現了殘余應力。這種應力一般來說屬于結構應力,大多數情況下處于彈性狀態。
殘余應力的影響
金屬構件(鑄件、焊接件、鍛件),在加工過程中,產生殘余應力,高者在屈服極限附近。構件中的殘余應力大多數表現出很大的危害作用;如使構件的強度降低、降低工件疲勞極限、造成應力腐蝕和脆性斷裂,由于殘余應力的松弛,使構件產生變形,影響了構件的尺寸精度。因此降低和消除構件的殘余應力,就顯得十分必要。
1、對金屬材料屈服極限的影響
如果材料具有拉伸殘余應力,相當于降低了材料的拉伸屈服極限。如果材料具有壓縮殘余應力的情況,使拉伸屈服極限提高而壓縮屈服極限降低。
2、殘余應力對疲勞壽命的影響
人們很早就知道,當受到交變應力的構件存在壓縮殘余應力時,該構件的疲勞強度會有所提高,而存在拉伸殘余應力時,其疲勞強度會有所下降。
電鍍處理的殘余應力由于工藝電流、電鍍液種類、溫度等的不同,使其分布和量值的差異很大,因此電鍍殘余應力對疲勞強度的影響變化也很大。多數金屬在電鍍后表面產生拉伸殘余應力,因此將大大降低疲勞強度。
3、殘余應力對構件變形的影響
殘余應力是一個不穩定的應力狀態。當構件受到外力作用時,作用應力與殘余應力的相互作用,使某些局部呈現塑性變形,截面內應力重新分配,當外力作用去除時整個構件將要發生變形。所以殘余應力明顯地影響著加工后的構件精度。
4、殘余應力對金屬脆性破壞的影響
殘余應力是作為初始應力存在于構件內,特別是拉伸殘余應力與作用拉應力疊加而加速了脆性破壞。
5、殘余應力對應力腐蝕開裂的影響
金屬與周圍介質的接觸而產生化學作用所引起的破壞稱做腐蝕。如果在發生腐蝕的同時還有應力的作用,則會加速腐蝕破壞,這就是應力腐蝕開裂。它的特點是:一是拉應力與腐蝕共存。二是由于材料成分和組織不同、介質不同等,對應力腐蝕的敏感性也不同。有時在不發生腐蝕的介質中,有些金屬在應力作用下也發生應力腐蝕現象。三是在應力腐蝕開裂過程中,首先出現點蝕,再逐步擴展成裂紋,裂紋的擴展主要是沿著最大主應力垂直的方向進行,在微觀上是沿著材料晶界或穿過晶粒進行。
殘余應力的消除方法
1、機械沖擊法:包括錘擊(鐵錘、氣錘等)、超聲沖擊、噴丸法等
a、消除焊接殘余應力(消除拉伸殘余應力,產生有益的壓縮殘余應力):通過沖擊槍沖擊處理金屬,使金屬表面及一定深度發生塑性變形,從而消除拉伸殘余應力。
b、延長焊接接頭疲勞壽命:在焊趾上處理出一條光滑連續的凹槽,降低應力集中系數,同時使焊趾區形成壓應力,細化焊趾區晶粒,可數十倍甚至上百倍提高焊接接頭疲勞壽命。因為90%以上的焊接結構疲勞斷裂是由焊趾疲勞開裂引起的,焊趾疲勞壽命提高了,焊接結構壽命自然也提高了。
c、強化金屬抗應力腐蝕:細化金屬晶粒、提高綜合機械性能
2、振動時效法
將一個偏心電機安裝在構件上,通過控制電機轉速使得構件和電機共振,達到消除構件殘余應力的目的。消除應力一般30%左右。適合尺寸大的部件。但是,振動時效嚴格說來并不是消除殘余應力,而是均化殘余應力,而且振動時效在工作的時候,如果震動的太厲害是有可能把焊縫震裂開的。缺點:能耗高、成本高、污染大、周期長。
是傳統的消除殘余應力的方法。它借助熱處理設施,將工件由室溫緩慢、均勻加熱至600℃左右,并在此溫度保溫4-8h,而后溫度緩慢冷卻到120℃以下,再出爐冷卻至室溫。優點:可整體消應力,既能消除拉伸應力,也能消除壓縮應力??上?0~90%的殘余應力。小工件可批量處理。
4、自然時效
將工件放在室外等自然條件下,使工件內部應力自然釋放從而使殘余應力消除或減少。依靠大自然的力量,經過幾個月至幾年的風吹、 日曬、雨淋和季節的溫度變化,給構件多次造成反復的溫度應力。在溫度應力形成的過載下,促使殘余應力發生松弛而使尺寸精度獲得穩定。