肖健 張偉祥 李志輝 路慶浩

摘 要：通過介紹結構中殘余應力存在的危害，梳理目前船舶制造過程中主要采用的殘余應力消除與測量方法，從各方法的基本原理出發(fā)，介紹每種方法的優(yōu)缺點，適用范圍以及對測量環(huán)境的要求，為工程技術人員在選擇殘余應力消除與測量方法時提供參考借鑒。

關鍵詞：焊接;殘余應力;消除;測量

中圖分類號：U66 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）08-0078-03

隨著船舶用途多功能化，船舶制造智能化、自動化技術的發(fā)展，現代化造船技術日新月異，焊接方法從原來的焊條電弧焊、氣體保護焊等以人為主的作業(yè)方式逐步發(fā)展成自動化、機械化的埋弧自動焊、激光焊，甚至是智能機器人焊接技術的廣泛應用。但是，由于焊接過程是點熱源加熱的方式，引起材料受熱不均勻，在冷卻后結構件內部會產生不同程度的殘余應力是無法避免的。焊接殘余應力對結構靜載強度、疲勞強度、剛度及對結構加工精度和尺寸穩(wěn)定性都會產生影響。在很多因結構失效或者斷裂的事例中，研究發(fā)現都是因為有害殘余應力的存在，使得焊接接頭區(qū)域產生裂紋，而裂紋在使用中逐步擴散直至斷裂造成的。另外，焊接結構內的殘余應力具有不穩(wěn)定性，會隨著時間的推移、溫度的改變而發(fā)生變化，殘余應力的變化導致結構外形尺寸、開孔尺寸、結構對稱度等與設備配合的關鍵尺寸發(fā)生變化，進而引起零部件的磨損甚至是設備功能喪失。因此，在船舶制造過程中，通過合理的工藝措施，采用適宜的殘余應力消除與測量方法，對焊接結構進行殘余應力控制和消除。

1 殘余應力的消除方法

1.1錘擊法

錘擊法是用工具錘擊焊縫，使焊縫產生塑性變形，用以抵消焊縫在冷卻過程中一部分的收縮量，這樣就可以起到降低焊縫內部殘余應力的效果。作為目前在船舶制造過程中最為常用的一種工藝措施，適用于船舶制造的各個組立階段，有著施工方便，工具簡單的特點。采用錘擊法的時段非常重要，有多項研究表明，在焊縫熱態(tài)時對焊縫進行錘擊，焊縫縱向和橫向的平均殘余應力、最大殘余應力值都明顯低于焊縫冷卻至環(huán)境溫度后再進行錘擊的結果，主要是因為焊縫在熱態(tài)時具有良好的塑性，變形阻力相對較小，有利于焊縫殘余應力的釋放，因此錘擊法應在焊縫還未完全冷卻，保持較好塑性的熱態(tài)時進行，并且錘擊時保持力度適中、錘擊點均勻，以防止因不當錘擊產生裂紋。

1.2熱時效法（TSR）

熱時效法消除殘余應力是將金屬構件整體或局部以一定的速率加熱到再結晶溫度以上并保溫一段時間，改變構件內部應力分布狀態(tài)，從而達到消除或降低殘余應力的目的。熱時效法在應用時工藝要求比較苛刻，如退火溫度的設定，保溫時間，升溫及降溫速度等，都會影響殘余應力的消除效果。溫度控制得當，殘余應力的消除效果能達到50%—70%，溫度控制不當可能會損傷構件、導致構件變形等。依據材料屬性的不同，采用的熱處理工藝也有很大差別。

熱時效法在船舶制造領域有一定的局限性，由于船廠沒有熱處理爐，需將加工后的結構件重新送回鋼廠，由鋼廠進行熱處理，使結構件恢復性能，目前主要用于鑄鍛件焊后熱處理、經冷熱加工后力學性能和機械性能有明顯下降的調質高強度鋼。盡管該方法存在局限性，運輸成本和制造周期增加，但是也是目前必不可少的消除殘余應力，保證產品質量的方法。

1.3振動消除應力法（VSR）

振動消除應力法又稱振動時效，在國外的應用已極其普遍，我國從20世紀70年代開始采用。其基本原理是通過偏心輪和變速馬達組成的激振器，使結構產生共振，利用共振產生循環(huán)應力，當循環(huán)應力與殘余應力疊加超過材料的屈服極限時，構件內部會發(fā)生塑性變形，進而達到減輕、均化構件內部殘余應力的目的。振動消除應力法有兩種方式，一種將構件固定在振動平臺上，一種是將激振器直接固定在結構件上。前者適用于尺寸規(guī)格不大，可批量處理的小組立或中組立結構件，后者適用于分段或總段等大型尺寸構件的焊接殘余應力的消除。

目前，我國振動消除應力法的應用已相當成熟，制造的振動時效裝置有BN-1神舟系列頻譜振動時效系統(tǒng)、VAⅡ智能超級時效系統(tǒng)、ZS20087超級全自動振動時效裝置、ZS95經濟型振動時效裝置等。這些裝置可實現頻率調節(jié)、動態(tài)跟蹤、數據生成等功能，滿足船舶制造的需求。與傳統(tǒng)熱時效相比，消除效果相當，能達到50%左右，滿足節(jié)能減排的要求，具有能耗極低，投資少費用低，易于實現機器自動化的特點。同時，該方法的生產效率高，一般維持共振狀態(tài)約20-30分鐘就能實現降低均化殘余應力，使結構件得到強化，尺寸精度達到穩(wěn)定的目的。

2 殘余應力的測量方法

在船舶制造的實際生產工作中，我們除了采用上述的殘余應力消除方法，還會制定合理的工藝控制措施，如合理的裝焊順序、采用熱輸入量較小的焊接工藝參數等等，目的就是盡可能地降低構件內部殘余應力。但是對于有高精度要求的設備或武備裝置，對船體結構時效穩(wěn)定性提出了更高的要求，除了采用降低或消除結構焊縫內部殘余應力的措施，還需要檢測結構內部殘余應力實際大小，判定是否有效降低了殘余應力，是否能夠保證良好的船體結構時效穩(wěn)定性，避免出現時效變形的情況發(fā)生，這時就需要對殘余應力大小進行測量和評估。測量殘余應力的方法一般分為有損測量和無損測量兩種，目前船舶制造中經常使用的方法有：盲孔法、X射線衍射法、超聲波法。

2.1盲孔法

盲孔法測量殘余應力是一種有損測量方法，其原理是通過破壞構件原本存在的應力平衡狀態(tài)，利用精度較高的應變計或應變花測量出平衡破壞后產生的釋放應變，而釋放應變只與材料鉆孔范圍內的初始應力狀態(tài)有關，利用線彈性理論公式進而求得殘余應力。

盲孔法的應力測量系統(tǒng)設計較為完善，計算過程也可由電腦完成，方便現場測量人員的使用，在船舶制造中的應用已非常成熟，尤其是可以滿足船體狹小空間處體結構的應力測量。根據被測量結構的厚度尺寸大小，在CB/T3395-2013《殘余應力測試方法 鉆孔應變釋放法》中都有明確的測量程序要求，本文不再贅述。需要注意的是盲孔法測量破壞區(qū)域周邊的表面殘余應力，需要多選擇幾個位置測量才能得到構件整體殘余應力情況。合適的測量位置可以先利用熱-力耦合有限元法模擬預測船體結構焊接變形以及焊接殘余應力的大小分布，根據模擬結果進行選取。

盲孔法雖然稱為有損測量，但是對構件造成的破壞較小，根據不同的盲孔大小和深度，測量后僅需適當的補焊修復或者僅需打磨光順即可。

2.2X射線衍射法

X射線衍射法是一種無損測量方法，其原理是根據彈性力學和X射線晶體學理論，理想晶體在不受應力的狀態(tài)下，晶體同一族的晶面間距是相等的，而受到內部殘余應力的作用，其晶面間距會發(fā)生變化，并且這種變化與內部殘余應力的大小有關。根據這一特性，可以從X射線衍射譜線位移的大小計算出殘余應力的大小。

X射線法經過長時間的研究和完善，現主要發(fā)展出X射線照相技術、X射線衍射儀法和X射線應力儀法。其中X射線照相技術測量大構件時誤差較大，而工業(yè)X射線衍射儀對環(huán)境要求較高，要求環(huán)境溫度在15℃-25℃間，高分辨率儀器的環(huán)境溫度要求22℃±1℃且溫度變化小于1℃/30分鐘，還要求保證儀器整潔避免灰塵聚集影響設備運行，船舶生產車間難以滿足這種環(huán)境要求。X射線應力儀是更加簡化和實用的X射線衍射裝置能夠適應現場的生產環(huán)境，大小構件均能測量，且方法完善，原理成熟，結果精確，十分可靠和實用。同時配合運用云圖技術還可以清晰直觀地展現測量區(qū)域的應力分布情況，工程技術人員在使用中非常方便。

另外X射線衍射法在船舶制造中還廣泛應用于測定鋼中殘余奧氏體含量、探傷和測厚功能。在采用X射線衍射法測量時，操作人員應嚴格遵守操作規(guī)范，否則會對人體造成十分嚴重的危害。

2.3超聲波法

超聲波法是一種無損測量方法，其基本原理是根據聲彈性理論，材料中有無殘余應力，超聲波的傳播速度不同，并且傳播速度的大小與應力的大小呈線性變化，可以測量出無應力情況下相同材料的傳播速度和實際工程中的傳播速度，通過一系列分析，可獲得實際工程中殘余應力的數值。超聲波測量方法大致分為兩種，一是采用橫波測量，二是采用縱波或表面波測量，由于第二種方法可以測出構件內部和表面的應力，因此，大多采用第二種方法。

超聲波法可用在船舶建造的各個階段，這種方法既沒有盲孔法對結構件的損傷，也不存在X射線衍射法對人體健康的危害，其具有穿透能力強、方向性好、儀器方便攜帶、結果直觀、成本低等優(yōu)點。

3 結束語

（1）船舶制造過程中，除了采用上述殘余應力消除與測量方法，還會采用很多設計和工藝措施避免或降低殘余應力的大小，如盡量減少結構上焊縫的數量和焊縫尺寸、避免焊縫集中，焊縫間保持足夠的距離、采用合理的焊接順序、降低焊縫的拘束度、對于高強度鋼，采用焊前預熱，焊后保溫緩冷等方式。

（2）傳統(tǒng)的自然時效消除殘余應力方法簡單，自然放置構件，任其自由的發(fā)生緩慢變形釋放構件中的殘余應力。但是該方法需要自然放置較長的時間，工藝周期太長，已不滿足當前船舶制造周期緊的要求，同時占用了場地，也影響到生產資金的流動性，綜合來說該方法成本并不低。

（3）除了本文闡述的殘余應力消除測量方法，還有很多能夠消除、測量焊接接頭處殘余應力的新興技術，如高壓水射流法、爆炸法、溫差形變法、激光超聲檢測法，需要我們工程技術人員開拓思路，勇于創(chuàng)新，將新技術應用于船舶制造領域。

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