焊接残余应力无损检测技术

三、焊接残余应力的分类
1.按应力的分布范围
1.宏观应力：在整个焊接 范围平衡的应力 2.微观应力：在晶粒范围 内相互平衡的应力 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
1.单向应力：应力沿构件 的一个方向作用 x 2.双向应力：应力沿构件 的两个方向作用 x、y 3.三向应力：应力沿构件 的三个方向作用 x、y、z
1 d2
A 2E 4r1r2
B
d2
1
1


d
2
2Er1r2 4
r12 r1r2 r22 4r12r22

盲孔法应变释放系数A、B计算公式：
A 1 3
2
B 1 3
2
小孔法测试设备
钻孔装置
静态应变测试仪
（2）切条法
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。
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。
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。
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）
• 小孔释放法重要的一点是应变释放系数A、B的确定， 通孔法应变释放系数可由Kirsch理论直接计算出，盲 孔法应变释放系数则需用实验标定。
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。
3.根据应力与焊缝的相对位置
1.纵向应力：应力作用方向与焊缝平行 2.横向应力：应力作用方向与焊缝垂直
4.根据应力产生、作用的时间
1.瞬时应力：焊接过程某一瞬时出现的应力 2.残余应力：焊后残留在焊件内的应力
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
将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变 片或加工机械引伸计的标距孔，然后测原始读数，再切 断，然后在读数。
四、焊接残余应力的测量方法
在现有的焊接残余应力测量方法中， 按照其对被测构件的损伤程度可分为 有损（机械法）和无损（物理法）这 两大类。
（1）钻孔法（小孔释放法）
• 小孔释放法测量焊接残余应力是由德国学者 J.Mathar于1934年提出的，现已得到广泛应用，具 有操作简单、测量方便、对构件损伤程度小等特点。 根据钻孔是否钻通，小孔释放法又可分为通孔法和 盲孔法。
1

13
4A

1 4B
(1 3 )2 (22 1 3)2
2

13
4A源自文库

1 4B
(1 3)2 (22 1 3)2
tan 2 22 1 3 3 1
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。
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
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
热膨胀系数
温
弹性模量
度
场
屈服强度
相变
焊接应力
边界条件， 夹持状态
内 拘 束 度
外 拘 束 度 构件形状尺寸 厚度及刚度
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
— Friday, October 25, 2019—
目录
1 残余应力的基本概念 焊接残余应力与变形的产生
2
焊接残余应力的分类及分布
3
焊接残余应力的测量方法
4
5 焊接残余应力对焊接结构的影响 6 减少焊接残余应力的措施
在加载方向的径向应力 分布左图所示。若在钻孔前 将一应变片粘贴在受有应力 的板上，距孔边0.5到1.5d （为孔径）处，钻孔时应变 片将感受出因应力降低产生 的应变（图2中阴影所示）， 这个应变显然和孔边的应力 释放有关。
钻孔引起的弹性径向释放应力
盲孔法测试残余应力应变片示意图
释放应力计算公式
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。