二、焊接残余应力与变形的产生
1、焊接残余应力 定义：构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力， 焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊 接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的。
2、变形 定义：物体在外力或温度等因素作用下，其形状与 尺寸发生变化的现象。
3、焊接残余应力的影响因素
热输入
钻孔法原理
• 在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应 力将重新调整，测得小孔附近的弹性应变增量，就可以用弹 性力学原理推算出小孔处的残余应力。 • 对于厚度大的板或体型构件，可采用盲孔法测定残余应力， 其操作方法与通孔法一致，只是盲孔深度要稍大于盲孔直径， 求得的残余应力是盲孔深度上的平均值，当钻孔深度达到某 一尺寸时，继续增加钻孔深度就不在影响表面应力状态了。 国外Bathgate、Kelsey等人都用实验证明了当钻孔深度等于孔 径时，在表面上得到最大的释放值，此时释放系数与其后钻 孔深度就没有关系了。
应力计算公式
X射线法测试设备
MGR40P残余应力仪
DJP-Ⅱ型电解抛光机
五、焊接残余应力对焊接结构的影响
1、对结构静强度的影响：
塑性材料：材料有足够的塑性，能进行塑性变 形，使应力均匀化，无影响。 脆性材料：材料不能够发生塑性变形使应力均 匀化，因而应力峰值不断增加，一直达到材料 抗拉强度，材料发生局部破坏。
降低、消除焊接残余应力的方法
（1）焊后热处理法（PWHT） 常用的PWHT有两种方法：一种是整体热处理， 即将焊件整体放入炉中进行热处理，这种方法一般 可消除80%～90%的焊接残余应力；另一种方法是局 部热处理，即对焊缝周围局部区域进行加热，它只 能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。
（2）机械拉伸法
（5）振动法（超声振动、机械冲击）
即以振动产生的交变应力对工件施加附加应力，当附加应 力与焊接残余应力叠加后达到或超过金属材料的屈服点时， 在工件内部就会产生一定塑性变形，从而使焊接残余降低或 均匀化。这种方法设备简单、操作方便、经济性好，但振动 参数不易选择。
2.对构件加工尺寸精度的影响：
焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当 进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则 焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡， 焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证。
3.对受压杆件稳定性的影响： 当杆件长细比介于30~150时，会影响到杆件的稳定。
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6
一、残余应力的基本概念
1、定义 内应力：当产生应力的因素不存在时（如外力去除、 温度已均匀、相变结束等），由于材料内部不均匀塑性 变形（包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化）， 致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力称 为残余应力，或者内应力。简单说就是没有外力或外力 矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。 2、内应力分类 1973年 Macherauch提出了新的内应力模型 ，将内 应力分为三类，即第一类内应力、第二类内应力和第三 类内应力。
衍射晶面方位角和应力方向平面
即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相 邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是 波长的整数倍。通过测量衍射角变化Δθ从而 得到晶格间距变化Δd，根据虎克定律和弹性 力学原理，计算出材料的残余应力。 假定被测材料为晶粒不粗大、无织构的多晶 体，在一束X射线照射范围内应该有足够多 的晶粒，而且所选定的（h k l）晶面的法线 在空间呈均匀连续分布。
3、什么是残余应力
国内科技文献习惯将于第一类内应力称为残余应力 一般英、美文献中把第一类内应力称为“宏观应力” （Macrostress）；把第二类和第三类内应力合称为“微 观应力”（Microstress） 残余应力可以认为是第一类内应力的工程名称。 至于通常所说的“热处理应力”，“焊接应力”，“铸 造应力”等则是实施这些工艺的过程中产生并最终残留的 残余应力（即第一类内应力）的简称。
a.先焊大后焊小
b.先焊短，后焊长
C.交叉焊缝
（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差
常用的方法有预热法和冷焊法两种。
（3）降低接头局部拘束度 （4）加热“减应区”法
焊接时，加热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，就可以减小焊接应力，这种方法称 为加热“减应区”法，被加热的部位称为“减应区”。
材料因素
制造因素
结构因素
材料特性，热物理 常数，力学性能
工艺措施 预热，缓冷
边界条件， 夹持状态
外 拘 束 度 构件形状尺寸 厚度及刚度
热膨胀系数 温 度 场 弹性模量 屈服强度 相变 焊接应力 内 拘 束 度
热源周围的 金属运动
• 焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化； • 而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制， 产生不均匀的压缩塑性变形； • 在冷却过程中，已发生塑性变形的这部分材料(如长焊缝的 两侧)又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程 度上被拉伸形成拉应力； • 与此同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将 产生相应的拉应力。 • 这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变，与其相对应， 在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应力。 • 而焊后，在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊接残余 应力。
3.根据应力与焊缝的相对位置
向与焊缝平行 1.纵向应力：应力作用方 向与焊缝垂直 2.横向应力：应力作用方
4.根据应力产生、作用的时间
一瞬时出现的应力 1.瞬时应力：焊接过程某 焊件内的应力 2.残余应力：焊后残留在
5.根据应力形成的原因
1.温度应力：由于焊件不 均匀加热引起的应力 2.拘束应力：由于焊件热 变形受到拘束引起的应 力 3.组织应力：由于接头金 属组织转变时体积变化 引起的应力
2.工艺措施
（1）采用合理的装配焊接顺序 基本原则：焊接平面上的焊缝时，应使纵、横向收 缩都比较自由。 具体方法是：先焊结构中收缩量最大的焊缝，后焊 收缩量小的角焊缝；先焊错开的短焊缝，后焊直通长 焊缝；先焊在工作时受力大的焊缝，后焊受力小的焊 缝；焊接交叉焊缝时，应保证交叉点部位不易产生缺 陷，且刚性较小。 简单归纳为：先焊大，后焊小；先焊短，后焊长。
通孔应变释放系数A、B可由Kirsch理论解得到下面的公式；盲 孔法应变释放系数则需由标定试验确定。
1 d 2 A 2 E 4r1r2
2 2 2 d r r r r d 1 1 1 2 2 1 B 2 2 2 Er1r2 4 4r1 r2 2
三、焊接残余应力的分类
1.按应力的分布范围
范围平衡的应力 1.宏观应力：在整个焊接 内相互平衡的应力 2.微观应力：在晶粒范围 3.超微观应力：在晶格范 围平衡的应力
2.根据结构中的空间位置
的一个方向作用 x 1.单向应力：应力沿构件 的两个方向作用 x、y 2.双向应力：应力沿构件 3.三向应力：应力沿构件 的三个方向作用 x、y、z
焊接残余应力无损检测技术
西南交通大学轨道交通关键材料及工艺研究中心 西南交通大学焊接研究所
— Monday, September 18, 2017—
目录
1
残余应力的基本概念 焊接残余应力与变形的产生 焊接残余应力的分类及分布
2
3
4
焊接残余应力的测量方法
焊接残余应力对焊接结构的影响 减少焊接残余应力的措施
X射线法的局限性
由于X射线的穿透能力有限，所测得的仅仅是表层应 力，而垂直于表层的应力分量为零，所以它测得的 总是二维应力。 X射线法对表面状态敏感。
X衍射应力分析的基本原理
布拉格定律： 2dSinθ = nλ 通过X射线衍射得到衍射角2θ 依据布拉格定律可以求出晶面间距 d
选定的晶面法线方向与晶面间距
每条法线 N0,N1……N4 确定若干个衍射晶面法线 多晶体 分别对应的晶面间距为d0,d1……d4 晶粒细小，在一束 X光照射范围内有 它们分别对应于许多晶粒 如果测得晶面间距从 d 到 d 大体相等 0 4 许许多多晶粒； 如果测得晶面间距从 dd dd 依次增大 0到 4 如果测得晶面间距从 到 0 4依次减小 可以推断材料中基本无应力； 可以推断材料中存在拉应力； 无织构，结晶学方向充分紊乱。 可以推断材料中存在压应力；
4.对结构刚度、疲劳强度和应力腐蚀开裂的影响： 应力腐蚀原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一 种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。
六、减小焊接残余应力的措施
减少焊接残余应力的措施主要有：设计措施 和工艺措施。
消除残余应力的措施主要有：焊后热处理法 （ PWHT ）、机械拉伸法、温差拉伸法、锤 击焊缝法、振动法。
通过机械拉伸，使焊接接头拉伸残余应力区域产 生拉伸塑性变形，卸载后降低焊接残余应力，一 般适用于屈服比较小的塑性材料。
（3）温差拉伸法
其基本原理与机械拉伸法相同。
Hale Waihona Puke （4）锤击焊缝采用带有小圆弧面的手锤或风枪锤击焊缝，使焊缝金属延 展，从而降低内应力。锤击时力量要适中，使2mm范围内受 到影响，避免因锤击过重而产生裂纹，同时要注意避免在 0 ～ 300 400 C之间锤击，以免出现蓝脆。一般根部焊道不锤击 以免产生裂纹，盖面焊道不锤击以免影响焊缝美观。
1 1 (1 3 ) 2 (2 2 1 3 ) 2 4 A 4B
1 3
1 2 (1 3 ) 2 (2 2 1 3 ) 2 4 A 4B
1 3
2 2 1 3 tan 2 3 1
1.设计措施
其核心是合理、正确地布置焊缝。 （1）减少焊缝数量 在保证结构强度的前提下，应尽量减少焊缝的数量 和尺寸，采用填充金属少的坡口形式 。
（2）合理布置焊缝 焊缝布置应尽量避免过分集中、交叉以及出现三向 复杂应力等，焊缝与焊缝之间应保持足够的距离。