季敏

【摘要】在分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，介紹了焊接殘余應(yīng)力的概念，并探討了焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其影響因素，提出了消除焊接殘余應(yīng)力的方法，指出研究和測量構(gòu)件中殘余應(yīng)力對生產(chǎn)和科學(xué)試驗具有重要意義。希望能夠?qū)窈筇岣弋a(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量及減少安全隱患方面提供一些有效對策。

【關(guān)鍵詞】焊接，殘余應(yīng)力，物理特性，方法

焊接作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要工藝，是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，接關(guān)系到工程質(zhì)量的好壞、結(jié)構(gòu)的安全。焊接結(jié)構(gòu)廣泛用于航天、橋梁、壓力容器等工業(yè)中，焊接過程中的加熱和冷卻循環(huán)不可避免地導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。殘余應(yīng)力將影響到腐蝕、開裂、疲勞強度等力學(xué)性能，同時也會對材料的物理機械性能產(chǎn)生巨大影響，對結(jié)構(gòu)的強度造成很大危害，歷史上許多災(zāi)難性破壞事故大多是由結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力引起。因此，研究和測量構(gòu)件中殘余應(yīng)力對生產(chǎn)和科學(xué)試驗有著重大的意義。

一、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因及影響因素

殘余應(yīng)力是在無外力作用時，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。焊接過程中，某一瞬時的焊接應(yīng)力稱為焊接瞬時應(yīng)力，它隨時間而變化，焊接后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的。以熔焊方法為例，影響這一過程的主要因素，一方面是材料物理特性和力學(xué)性能，如熱導(dǎo)率，比熱容c，密度等；另一方面是不同類型焊接熱源的影響，焊接熱源的種類、熱源能量密度的分布、熱源的移動速度、被焊接件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場分布，因而也改變著焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

二、控制焊接殘余應(yīng)力的措施

焊接殘余應(yīng)力是可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝措施等加以調(diào)節(jié)和控制的。

（一）設(shè)計措施

焊接過程中，盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸，多一條焊縫就多一處應(yīng)力場。大的焊縫尺寸，熱影響區(qū)大，變形較大，相應(yīng)殘余內(nèi)應(yīng)力較大。焊縫間保持足夠的距離，焊縫過分集中不僅使內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。而且可能出現(xiàn)雙向、三向復(fù)雜的殘余內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)。采用剛性較小的焊縫形式，減少殘余內(nèi)應(yīng)力的存在。

（二）選擇合理的焊接順序

焊接殘余內(nèi)應(yīng)力是焊縫區(qū)金屬縱向和橫向收縮不自由引起的，不同的裝配和焊接順序?qū)?nèi)應(yīng)力的影響較大，一般來說。盡可能讓焊縫自由收縮，減少焊接構(gòu)件在施焊時的約束，最大限度的減少焊接應(yīng)力。例如，平面閘門面板由許多小板拼焊而成，可以從中間向四周進行，使焊縫收縮由中間向外依次進行，由于平面交叉焊縫先焊橫向焊縫，使橫向焊縫焊接后有自由收縮可能。

（三）選擇合理的焊接工藝參數(shù)

焊接方法、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊接層數(shù)、線能量的選擇是否合理，對殘余應(yīng)力影響很大。一般來說盡可能采用小直徑焊條和較小的焊接電流，同時減小焊件熱能影響區(qū)，從而減小焊接殘余應(yīng)力。

（四）預(yù)熱

在進行厚板高強度材料焊接時，將焊件全部或者局部進行預(yù)加熱，一般（150～350）℃之間，使焊縫區(qū)和構(gòu)件整體之間的溫差減小，讓焊縫和構(gòu)件整體能盡可能地均勻冷卻，從而減小殘余內(nèi)應(yīng)力。

（五）錘擊法

利用圓頭手錘錘擊焊縫，使焊縫金屬延展，抵消一部分焊接收縮，降低內(nèi)應(yīng)力。一般而言，溫度較高時金屬具有較高的塑性和延展性為好。對于含碳和合金量較高材料低于500cc時不宜錘擊，一般以表面薄層能延展即可，過度會開裂。

（六）加熱“減應(yīng)區(qū)”

“減應(yīng)區(qū)”即為焊接時阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位。在焊接或焊補剛性很大的結(jié)構(gòu)時，選擇減應(yīng)區(qū)進行加熱，使之伸長，然后進行焊接。焊接完后，該部位與焊縫能比較均勻地收縮，減小內(nèi)應(yīng)力。

三、消除殘余應(yīng)力的方法

事實上，把應(yīng)力完全消除是不可能的，通常說消除殘余應(yīng)力，更準確地說應(yīng)該是降低殘余應(yīng)力，使應(yīng)力得到重新分布。降低殘余應(yīng)力主要有四種方法：

（一）自然時效

自然時效是最古老的一種消除應(yīng)力的方法，它就是把構(gòu)件露天放置于室外，給構(gòu)件造成反復(fù)的溫度應(yīng)力，在溫度應(yīng)力形成的過程中，促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛。

（二）熱時效

即構(gòu)件由室溫緩慢均勻加熱至550℃左右，保溫4—8h，再嚴格控制降溫速度至150℃以下出爐。熱時效工藝要求是嚴格的，如要求爐內(nèi)溫度不超過570℃，保溫時間不宜過長。如溫度超過570℃，保溫時間過長，會使構(gòu)件的強度降低；如果升溫速度過快，則構(gòu)件在升溫中薄壁處比厚壁處升溫速度快得多，這樣使構(gòu)件各部分的溫差急劇增大，會造成附加溫度應(yīng)力，如果附加應(yīng)力與構(gòu)件本身殘余應(yīng)力的迭加超過強度極限，就會造成構(gòu)件開裂。

（三）振動時效

簡稱VSR，是敲擊時效的延伸，可用木錘、橡皮錘或紫銅錘等敲擊構(gòu)件的合適部位，激起構(gòu)件的共振。敲擊時效就是給工件一個沖擊力，擊起工件的響應(yīng)，工件以自己固有的頻率和迅速衰減的振幅作減振運動。

（四）TIG重熔

焊趾缺陷是焊道融合線難以避免的小而尖銳連續(xù)的缺陷，往往形成結(jié)構(gòu)疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG重熔技術(shù)對焊趾進行修整，重建起裂前的狀態(tài)，降低由于焊趾缺陷所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以延長疲勞壽命，同時TIG重熔也能改善焊縫區(qū)的橫向殘余應(yīng)力。

除上述方法外，還有一些正研發(fā)的技術(shù)如振動焊接、超聲波沖擊、爆炸技術(shù)。

四、結(jié)語

通過對T型焊接試件殘余應(yīng)力分布的測量，基于逆磁致伸縮效應(yīng)的磁測法，操作方便、快捷、實用，并且可以測得鐵磁材料一定深度內(nèi)不同層深的殘余應(yīng)力分布。焊接殘余應(yīng)力測量結(jié)果表明：焊縫區(qū)及附近存在較大的焊接殘余應(yīng)力，應(yīng)力最大值接近材料屈服強度。不同深度殘余應(yīng)力變化規(guī)律不同，對于橫向殘余應(yīng)力，是由壓應(yīng)力逐步過渡到拉應(yīng)力；對于縱向殘余應(yīng)力，在靠近焊縫的區(qū)域上，也是由壓應(yīng)力逐步過渡到拉應(yīng)力，隨著遠離焊縫的區(qū)域，則是由拉應(yīng)力逐步過渡到壓應(yīng)力。

目前，由于鐵磁材料在各類工程結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用，加上磁測法測量速度快，探測深度大，無輻射危險等優(yōu)點，磁測法有很大的應(yīng)用潛力。同時伴隨焊接過程的進行，會在焊接構(gòu)件的內(nèi)部產(chǎn)生自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)作用時間可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。以熔焊方法焊接的構(gòu)件，其焊接殘余應(yīng)力的大小和分布主要與材料物理特性和力學(xué)性能、不同類型焊接熱源等有關(guān)。