焊接殘余應(yīng)力無損檢測技術(shù)_第1頁
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西南交交通大大學(xué)軌軌道交交通關(guān)關(guān)鍵材材料及及工藝藝研究究中心心西南交交通大大學(xué)焊焊接研研究所所—Thursday,October27,2022—焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力無無損檢檢測技技術(shù)目錄殘余應(yīng)力的基本概念12焊接殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生3焊接殘余應(yīng)力的分類及分布4焊接殘余應(yīng)力的測量方法5焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響減少焊焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力的的措施施6一、殘殘余應(yīng)應(yīng)力的的基本本概念念1、定義義內(nèi)應(yīng)力力:當(dāng)產(chǎn)生生應(yīng)力力的因因素不不存在在時((如外外力去去除、、溫度度已均均勻、、相變變結(jié)束束等)),由由于材材料內(nèi)內(nèi)部不不均勻勻塑性性變形形(包包括由由溫度度及相相變等等引起起的不不均勻勻體積積變化化),,致使使材料料內(nèi)部部依然然存在在并且且自身身保持持平衡衡的彈彈性應(yīng)應(yīng)力稱稱為殘殘余應(yīng)應(yīng)力,,或者者內(nèi)應(yīng)應(yīng)力。。簡單單說就就是沒沒有外外力或或外力力矩作作用而而在物物體內(nèi)內(nèi)部存存在并并自身身保持持平衡衡的應(yīng)應(yīng)力。。2、內(nèi)應(yīng)應(yīng)力分分類1973年Macherauch提出了了新的的內(nèi)應(yīng)應(yīng)力模模型,,將將內(nèi)應(yīng)力分分為三三類,,即第第一類類內(nèi)應(yīng)應(yīng)力、、第二二類內(nèi)內(nèi)應(yīng)力力和第第三類類內(nèi)應(yīng)應(yīng)力。。3、什么么是殘殘余應(yīng)應(yīng)力國內(nèi)科科技文文獻(xiàn)習(xí)習(xí)慣將將于第一類類內(nèi)應(yīng)應(yīng)力稱為殘殘余應(yīng)應(yīng)力一般英英、美美文獻(xiàn)獻(xiàn)中把把第一一類內(nèi)內(nèi)應(yīng)力力稱為為“宏宏觀應(yīng)應(yīng)力””(Macrostress);把把第二二類和和第三三類內(nèi)內(nèi)應(yīng)力力合稱稱為““微觀觀應(yīng)力力”((Microstress)殘余應(yīng)應(yīng)力可可以認(rèn)認(rèn)為是是第一一類內(nèi)內(nèi)應(yīng)力力的工工程名名稱。。至于通通常所所說的的“熱熱處理理應(yīng)力力”,,“焊焊接應(yīng)應(yīng)力””,““鑄造造應(yīng)力力”等等則是是實(shí)施施這些些工藝藝的過過程中中產(chǎn)生生并最最終殘殘留的的殘余余應(yīng)力力(即即第一一類內(nèi)內(nèi)應(yīng)力力)的的簡稱稱。二、焊焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力與與變形形的產(chǎn)產(chǎn)生1、焊接接殘余余應(yīng)力力定義::構(gòu)件由由焊接接而產(chǎn)產(chǎn)生的的內(nèi)應(yīng)應(yīng)力稱稱之為為焊接接應(yīng)力力,焊焊后殘殘留在在焊件件內(nèi)的的焊接接應(yīng)力力稱之之為焊焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力。。焊接接殘余余應(yīng)力力是由由于焊焊接加加熱產(chǎn)產(chǎn)生不不均勻勻溫度度場引引起的的。2、變形形定義::物體在在外力力或溫溫度等等因素素作用用下,,其形形狀與與尺寸寸發(fā)生生變化化的現(xiàn)現(xiàn)象。。3、焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力的的影響響因素素焊接熱熱輸入入引起起材料料不均均勻局局部加加熱,,使焊焊縫區(qū)區(qū)熔化化;而與熔熔池毗毗鄰的的高溫溫區(qū)材材料的的熱膨膨脹則則受到到周圍圍材料料的限限制,,產(chǎn)生生不均均勻的的壓縮縮塑性性變形形;在冷卻卻過程程中,,已發(fā)發(fā)生塑塑性變變形的的這部部分材材料(如長焊焊縫的的兩側(cè)側(cè))又受到到周圍圍條件件的制制約,,而不不能自自由收收縮,,在不不同程程度上上被拉拉伸形形成拉拉應(yīng)力力;與此同同時,,熔池池凝固固,形形成的的焊縫縫金屬屬冷卻卻收縮縮受阻阻時也也將產(chǎn)產(chǎn)生相相應(yīng)的的拉應(yīng)應(yīng)力。。這樣,,在焊焊接接接頭區(qū)區(qū)產(chǎn)生生了縮縮短的的不協(xié)協(xié)調(diào)應(yīng)應(yīng)變,,與其其相對對應(yīng),,在構(gòu)構(gòu)件中中會形形成自自身相相平衡衡的內(nèi)內(nèi)應(yīng)力力,通通稱為為焊接接瞬態(tài)態(tài)應(yīng)力力。而焊后后,在在室溫溫條件件下殘殘留于于焊件件中的的內(nèi)應(yīng)應(yīng)力稱稱為焊焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力。。三、焊焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力的的分類類1.按應(yīng)力力的分分布范范圍2.根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)中中的空空間位位置3.根據(jù)應(yīng)應(yīng)力與與焊縫縫的相相對位位置4.根據(jù)應(yīng)應(yīng)力產(chǎn)產(chǎn)生、、作用用的時時間5.根據(jù)應(yīng)應(yīng)力形形成的的原因因四、焊焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力的的測量量方法法在現(xiàn)有有的焊焊接殘殘余應(yīng)應(yīng)力測測量方方法中中,按按照其其對被被測構(gòu)構(gòu)件的的損傷傷程度度可分分為有有損(機(jī)機(jī)械械法法))和無無損損(物物理理法法))這兩兩大大類類。。(1)鉆鉆孔孔法法((小小孔孔釋釋放放法法))小孔孔釋釋放放法法測測量量焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力是是由由德德國國學(xué)學(xué)者者J.Mathar于1934年提提出出的的,,現(xiàn)現(xiàn)已已得得到到廣廣泛泛應(yīng)應(yīng)用用,,具具有有操操作作簡簡單單、、測測量量方方便便、、對對構(gòu)構(gòu)件件損損傷傷程程度度小小等等特特點(diǎn)點(diǎn)。。根根據(jù)據(jù)鉆鉆孔孔是是否否鉆鉆通通,,小小孔孔釋釋放放法法又又可可分分為為通孔孔法法和盲孔孔法法。。小孔孔釋釋放放法法重重要要的的一一點(diǎn)點(diǎn)是是應(yīng)應(yīng)變變釋釋放放系系數(shù)數(shù)A、B的確確定定,,通通孔孔法法應(yīng)應(yīng)變變釋釋放放系系數(shù)數(shù)可可由由Kirsch理論論直直接接計計算算出出,,盲盲孔孔法法應(yīng)應(yīng)變變釋釋放放系系數(shù)數(shù)則則需需用用實(shí)實(shí)驗驗標(biāo)標(biāo)定定。。鉆孔孔法法原原理理在應(yīng)應(yīng)力力場場中中鉆鉆小小孔孔,,應(yīng)應(yīng)力力的的平平衡衡受受到到破破壞壞,,則則小小孔孔周周圍圍的的應(yīng)應(yīng)力力將將重重新新調(diào)調(diào)整整,,測測得得小小孔孔附附近近的的彈彈性性應(yīng)應(yīng)變變增增量量,,就就可可以以用用彈彈性性力力學(xué)學(xué)原原理理推推算算出出小小孔孔處處的的殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力。。對于于厚度度大大的的板板或或體體型型構(gòu)件件,,可可采采用用盲孔孔法法測定定殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力,,其其操操作作方方法法與與通通孔孔法法一一致致,,只只是是盲盲孔孔深深度度要要稍稍大大于于盲盲孔孔直直徑徑,,求求得得的的殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力是是盲盲孔孔深深度度上上的的平平均均值值,,當(dāng)當(dāng)鉆鉆孔孔深深度度達(dá)達(dá)到到某某一一尺尺寸寸時時,,繼繼續(xù)續(xù)增增加加鉆鉆孔孔深深度度就就不不在在影影響響表表面面應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)了了。。國國外外Bathgate、Kelsey等人人都都用用實(shí)實(shí)驗驗證證明明了了當(dāng)當(dāng)鉆鉆孔孔深深度度等等于于孔孔徑徑時時,,在在表表面面上上得得到到最最大大的的釋釋放放值值,,此此時時釋釋放放系系數(shù)數(shù)與與其其后后鉆鉆孔孔深深度度就就沒沒有有關(guān)關(guān)系系了了。。在加加載載方方向向的的徑徑向向應(yīng)應(yīng)力力分分布布左左圖圖所所示示。。若若在在鉆鉆孔孔前前將將一一應(yīng)應(yīng)變變片片粘粘貼貼在在受受有有應(yīng)應(yīng)力力的的板板上上,,距距孔孔邊邊0.5到1.5d(為為孔孔徑徑))處處,,鉆鉆孔孔時時應(yīng)應(yīng)變變片片將將感感受受出出因因應(yīng)應(yīng)力力降降低低產(chǎn)產(chǎn)生生的的應(yīng)應(yīng)變變((圖圖2中陰陰影影所所示示)),,這這個個應(yīng)應(yīng)變變顯顯然然和和孔孔邊邊的的應(yīng)應(yīng)力力釋釋放放有有關(guān)關(guān)。。鉆孔孔引引起起的的彈彈性性徑徑向向釋釋放放應(yīng)應(yīng)力力盲孔孔法法測測試試殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變片片示示意意圖圖釋放放應(yīng)應(yīng)力力計計算算公公式式通孔孔應(yīng)應(yīng)變變釋釋放放系系數(shù)數(shù)A、B可由由Kirsch理論論解解得得到到下下面面的的公公式式;;盲盲孔孔法法應(yīng)應(yīng)變變釋釋放放系系數(shù)數(shù)則則需需由由標(biāo)標(biāo)定定試試驗驗確確定定。。盲孔孔法法應(yīng)應(yīng)變變釋釋放放系系數(shù)數(shù)A、B計算算公公式式:小孔孔法法測測試試設(shè)設(shè)備備鉆孔孔裝裝置置靜態(tài)態(tài)應(yīng)應(yīng)變變測測試試儀儀將待待測測焊焊件件劃劃分分幾幾個個區(qū)區(qū)域域,,在在各各區(qū)區(qū)待待測測點(diǎn)點(diǎn)上上貼貼應(yīng)應(yīng)變變片或或加加工工機(jī)機(jī)械械引引伸伸計計的的標(biāo)標(biāo)距距孔孔,,然然后后測測原原始始讀讀數(shù)數(shù),,再再切切斷,,然然后后在在讀讀數(shù)數(shù)。。(2)切切條條法法(3)X射線線法法X射線線衍衍射射法法是是目目前前最最為為成成熟熟而而且且應(yīng)應(yīng)用用范范圍圍也也最最為為廣廣泛泛的的測測量量結(jié)構(gòu)構(gòu)表表面面殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力方法法,,其其優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)如如下下::(1)理理論論成成熟熟,,測測量量精精度度高高,,測測量量結(jié)結(jié)果果準(zhǔn)準(zhǔn)確確、、可可靠靠。。(2)由由于于X射線線對對材材料料的的透透射射深深度度十十分分小小,,測測定定的的表表面面層層深深度度僅僅為為10-35um,因因此此測測定定的的是是材材料料表表面面的的應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài),,不不會會改改變變材材料料的的狀狀態(tài)態(tài),,屬屬于于無無損損測測量量。。(3)可可適適用用于于精精確確測測定定應(yīng)應(yīng)力力沿沿層層深深的的分分布布,,但但此此時時該該方方法法不不再再是是無無損損的的,,需需要要與與其其他他剝剝除除方方法法配配合合,,逐逐層層測測定定。。由于于X射線線的的穿穿透透能能力力有有限限,,所所測測得得的的僅僅僅僅是是表表層層應(yīng)應(yīng)力力,,而而垂垂直直于于表表層層的的應(yīng)應(yīng)力力分分量量為為零零,,所所以以它它測測得得的的總總是是二二維維應(yīng)應(yīng)力力。。X射線線法法對對表表面面狀狀態(tài)態(tài)敏敏感感。。X射線線法法的的局局限限性性X衍射射應(yīng)應(yīng)力力分分析析的的基基本本原原理理布拉拉格格定定律律::2dSinθθ=nλλ通過過X射線線衍衍射射得得到到衍衍射射角角2θθ依據(jù)據(jù)布布拉拉格格定定律律可可以以求求出出晶晶面面間間距距d選定定的的晶晶面面法法線線方方向向與與晶晶面面間間距距衍射射晶晶面面方方位位角角和和應(yīng)應(yīng)力力方方向向平平面面即一定波波長的X射線照射射到晶體體材料上上,相鄰鄰兩個原原子面衍衍射時的的X射線光程程差正好好是波長長的整數(shù)數(shù)倍。通通過測量量衍射角角變化Δθ從而得到到晶格間間距變化化Δd,根據(jù)虎虎克定律律和彈性性力學(xué)原原理,計計算出材材料的殘殘余應(yīng)力力。假定被測測材料為為晶粒不不粗大、、無織構(gòu)構(gòu)的多晶體,在一束束X射線照射射范圍內(nèi)內(nèi)應(yīng)該有有足夠多多的晶粒粒,而且且所選定定的(hkl)晶面的的法線在在空間呈呈均勻連連續(xù)分布布。確定若干干個衍射射晶面法法線它們分別別對應(yīng)于于許多晶晶粒多晶體晶粒細(xì)小小,在一束束X光照射范范圍內(nèi)有有許許多多多晶粒粒;無織構(gòu),結(jié)晶學(xué)學(xué)方向充充分紊亂亂。每條法線線N0,N1……N4分別對應(yīng)應(yīng)的晶面面間距為為d0,d1……d4如果測得得晶面間間距從d0到d4依次增大大可以推斷斷材料中中存在拉拉應(yīng)力;;如果測得得晶面間間距從d0到d4依次減小小可以推斷斷材料中中存在壓壓應(yīng)力;;如果測得得晶面間間距從d0到d4大體相等等可以推斷斷材料中中基本無無應(yīng)力;;應(yīng)力計算算公式X射線法測測試設(shè)備備MGR40P殘余應(yīng)力力儀DJP-Ⅱ型電解拋拋光機(jī)五、焊接接殘余應(yīng)應(yīng)力對焊焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)的影響響1、對結(jié)構(gòu)構(gòu)靜強(qiáng)度度的影響響:塑性材料料:材料料有足夠夠的塑性性,能進(jìn)進(jìn)行塑性性變形,,使應(yīng)力力均勻化化,無影影響。脆性材料料:材料料不能夠夠發(fā)生塑塑性變形形使應(yīng)力力均勻化化,因而而應(yīng)力峰峰值不斷斷增加,,一直達(dá)達(dá)到材料料抗拉強(qiáng)強(qiáng)度,材材料發(fā)生生局部破破壞。2.對構(gòu)件加加工尺寸寸精度的的影響::焊件在不不經(jīng)過焊焊后消應(yīng)應(yīng)力處理理,內(nèi)部部存在著著相互平平衡的應(yīng)應(yīng)力,當(dāng)當(dāng)進(jìn)行機(jī)機(jī)械加工工時,如如切削掉掉焊件的的一部分分承受殘殘余應(yīng)力力金屬,,則焊件件會重新新變形((二次變變形)以以使殘余余應(yīng)力重重新分布布來保持持平衡,,焊件不不斷的切切削,就就會不斷斷的變形形,加工工精度難難以保證證。3.對受壓桿桿件穩(wěn)定定性的影影響:當(dāng)桿件長長細(xì)比介介于30~150時,會影影響到桿桿件的穩(wěn)穩(wěn)定。4.對結(jié)構(gòu)剛剛度、疲疲勞強(qiáng)度度和應(yīng)力力腐蝕開開裂的影影響:應(yīng)力腐蝕蝕原因::拉應(yīng)力力和介質(zhì)質(zhì)、腐蝕蝕共同作作用下產(chǎn)產(chǎn)生裂紋紋的一種現(xiàn)象,,拉應(yīng)力力越大,,發(fā)生應(yīng)應(yīng)力腐蝕蝕開裂的的時間越越早。六、減小小焊接殘殘余應(yīng)力力的措施施減少焊接接殘余應(yīng)應(yīng)力的措措施主要要有:設(shè)計措施施和工藝措施施。消除殘余余應(yīng)力的的措施主主要有::焊后熱熱處理法法(PWHT)、機(jī)械械拉伸法法、溫差差拉伸法法、錘擊擊焊縫法法、振動動法。1.設(shè)計措施施其核心是是合理、、正確地地布置焊焊縫。(1)減少焊焊縫數(shù)量量在保證結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度度的前提提下,應(yīng)應(yīng)盡量減減少焊縫縫的數(shù)量量和尺寸寸,采用用填充金金屬少的的坡口形形式。。(2)合理布布置焊縫縫焊縫布置置應(yīng)盡量量避免過過分集中中、交叉叉以及出出現(xiàn)三向向復(fù)雜應(yīng)應(yīng)力等,,焊縫與與焊縫之之間應(yīng)保保持足夠夠的距離離。(3)采用剛剛性較小小的接頭頭形式這樣可降降低焊縫縫的拘束束程度,,使焊縫縫能自由由地收縮縮。2.工藝措施施(1)采用合合理的裝裝配焊接接順序基本原則則:焊接接平面上上的焊縫縫時,應(yīng)應(yīng)使縱、、橫向收收縮都比比較自由由。具體方法法是:先先焊結(jié)構(gòu)構(gòu)中收縮縮量最大大的焊縫縫,后焊焊收縮量量小的角角焊縫;;先焊錯錯開的短短焊縫,,后焊直直通長焊焊縫;先先焊在工工作時受受力大的的焊縫,,后焊受受力小的的焊縫;;焊接交交叉焊縫縫時,應(yīng)應(yīng)保證交交叉點(diǎn)部部位不易易產(chǎn)生缺缺陷,且且剛性較較小。簡單歸納納為:先先焊大,,后焊小小;先焊焊短,后后焊長。。a.先焊大后后焊小b.先焊短,,后焊長長C.交叉焊縫縫(2)縮小焊焊接區(qū)與與結(jié)構(gòu)整整體之間間的溫差差常用的方方法有預(yù)預(yù)熱法和和冷焊法法兩種。。(3)降低接接頭局部部拘束度度(4)加熱“減減應(yīng)區(qū)””法焊接時,,加熱阻阻礙焊接接區(qū)自由由伸縮的的部位,,使之與與焊接區(qū)區(qū)同時膨膨脹和同同時收縮縮,就可可以減小小焊接應(yīng)應(yīng)力,這這種方法法稱為加加熱“減減應(yīng)區(qū)””法,被被

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