（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011）

0 引言

在對(duì)待相關(guān)復(fù)雜零件與設(shè)備裝置的構(gòu)件塑造中，焊接是一種最為常見(jiàn)，并且十分具有實(shí)用性的加工方法。焊接構(gòu)件構(gòu)造具有生產(chǎn)時(shí)間短、使用周期長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)便與封閉牢固性等許多優(yōu)點(diǎn)，但在焊接操作的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有焊接殘余應(yīng)力存在嚴(yán)重制約焊接產(chǎn)品的使用周期與穩(wěn)固性，其產(chǎn)生的原因是因?yàn)樵诤附訕?gòu)件過(guò)程中，由于焊接環(huán)境的溫度差異形成一個(gè)不均衡的溫度圈，導(dǎo)致焊接材質(zhì)發(fā)生了內(nèi)變，即改變了構(gòu)件的塑形應(yīng)變能力與熱度應(yīng)變能力，從而形成了焊接殘余應(yīng)力。關(guān)于焊接殘余應(yīng)力的消除方法從產(chǎn)生之初便一直是相關(guān)行業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)話題，根據(jù)焊接殘余應(yīng)力的形成條件不難發(fā)現(xiàn)，解決焊接形成的壓縮塑性變形就能克服殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

1 焊接殘余應(yīng)力的消除方法

1.1 對(duì)焊接殘余應(yīng)力使用熱處理消除法

一般來(lái)說(shuō)，處于高溫環(huán)境的焊接材料會(huì)由于溫度的提高而內(nèi)部材料變得逐漸軟化，形成脆變現(xiàn)象與高溫度閾值下降的狀況出現(xiàn)，在面對(duì)以上這種情況，焊接材料的殘余應(yīng)力有一定程度的下降，并且在此時(shí)，如果通過(guò)熱能軟化材料對(duì)零件的接頭部分進(jìn)行重新加工焊接，能逐漸完善焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高構(gòu)件的使用周期。在進(jìn)行熱處理焊接的方法分為兩種，即局部高溫?zé)岫忍幚砼c全面高溫?zé)岫忍幚韀1]。

1.2 局部高溫?zé)岫忍幚?/h3>

在面對(duì)焊接材料零件處于峰值過(guò)高的情況時(shí)，采用局部高溫?zé)岫忍幚砟軌蜉^快解決殘余應(yīng)力的存在，但其適用范圍較窄，只能針對(duì)特殊情況進(jìn)行處理分析。有關(guān)局部高溫?zé)岫忍幚矸绞酱蟾欧譃榛鹧孀茻訜崽幚?、電力阻流熔爐加熱處理、熱流感應(yīng)器加熱處理以及紅外線加熱處理等方式。按照上述方式，進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的消除效果，其關(guān)鍵之點(diǎn)在于高溫?zé)岫燃訜釁^(qū)的溫度高低與覆蓋范圍大小有關(guān)。

1.3 全面高溫?zé)岫忍幚?/h3>

在面對(duì)焊接工作時(shí)一個(gè)整體的零件結(jié)構(gòu)或者工程時(shí)，應(yīng)該根據(jù)焊接殘余應(yīng)力的分布位置做出架構(gòu)圖，根據(jù)架構(gòu)圖中的零件厚度與大小進(jìn)行高溫?zé)岫鹊臅r(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，例如，在面對(duì)以毫米為計(jì)量單位的構(gòu)件板塊時(shí)，按照1mm 高溫?zé)岫忍幚?.5min，最少進(jìn)行為期30min 高溫?zé)岫忍幚?；如果其覆蓋范圍過(guò)于龐大，則最大高溫?zé)岫乳撝禃r(shí)間不宜超過(guò)3h。在對(duì)整體焊接殘余應(yīng)力的消除工作時(shí)，根據(jù)存留的殘余應(yīng)力率先進(jìn)行全面協(xié)調(diào)的高溫處理，同時(shí)根據(jù)架構(gòu)圖中所描述最為嚴(yán)重的殘余應(yīng)力地區(qū)進(jìn)行專門增溫，例如,在鈦合金與不銹鋼的焊接殘余應(yīng)力消除工作中，應(yīng)該將全面溫度提升至580℃；在普通鐵質(zhì)的殘余應(yīng)力消除中，將溫度提升至600℃。遵循上述高溫?zé)岫认?，能夠最大程度消除殘余?yīng)力，但具體結(jié)果還是要根據(jù)高溫?zé)岫忍幚淼拿娣e范圍、溫度提升的方式、焊接完成后的冷卻工作與材料保溫的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。

2 對(duì)焊接殘余應(yīng)力使用外力加載消除法

針對(duì)焊接過(guò)程中形成的焊接縫隙，常常導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)不夠緊密，所以面對(duì)這種焊接殘余應(yīng)力的消除方式應(yīng)該是，對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行外物力量的施加，使得焊接構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)外結(jié)構(gòu)的拉伸，將形成的焊接縫隙進(jìn)行融合處理，即通過(guò)裝置拉伸、溫差拉伸、氣壓液壓等方式施加應(yīng)力，對(duì)焊接零件進(jìn)行壓合重造，從而達(dá)到成功消除焊接殘余應(yīng)力的目的[2]。

2.1 機(jī)械拉伸法

通過(guò)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的觀察之后，確定進(jìn)行焊接的部位，對(duì)焊接區(qū)域使用機(jī)械裝置進(jìn)行壓力壓制，使得焊接內(nèi)部的伸縮變形區(qū)得到進(jìn)一步的壓縮，從而可塑性大大提高，引起殘余應(yīng)力的降低。其次，在焊接材料的殘余應(yīng)力達(dá)到可是進(jìn)行消除的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)以此時(shí)的消除閾值為準(zhǔn)，將拉伸塑性轉(zhuǎn)化為彈性塑性，此時(shí)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)可知，焊接殘余應(yīng)力有一定程度上的減弱。在人民出版社的《焊接結(jié)構(gòu)》一書中這樣描述：“經(jīng)過(guò)拉伸的加載機(jī)械，能夠使得焊接應(yīng)力在外力的作用下產(chǎn)生明顯的拉伸塑性變化，并且拉伸方向能夠于最初焊接材料的拉伸塑性方向呈反向生長(zhǎng)”，二者相對(duì)而立，在零件內(nèi)部由于焊縫形成的殘余應(yīng)力相互抵消，大幅度提高加載應(yīng)力，即能夠快速消除存留在機(jī)械內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

2.2 低應(yīng)力無(wú)變形拉伸法

在面臨焊接材料處于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的情況下，首先要針對(duì)焊接的首尾進(jìn)行拉伸壓縮，即通過(guò)對(duì)焊接材料的兩端進(jìn)行率先焊接處理，因?yàn)樵诤附咏饘俚膬啥擞捎诟邷氐淖饔?，?huì)形成大范圍的溫度上升，焊接金屬膨脹擴(kuò)大，帶動(dòng)存在于焊接縫隙之間的殘余應(yīng)力的壓縮，與原有拉伸應(yīng)力相互聯(lián)合疊加，使得焊接材料的質(zhì)度低于高溫加工的材料質(zhì)度，形成屈服拉伸壓力。在這一過(guò)程中，當(dāng)殘留的殘余應(yīng)力能夠融合呈屈服拉伸應(yīng)力時(shí)就說(shuō)明形成了整個(gè)過(guò)程的焊接殘余應(yīng)力，也就是焊接殘余應(yīng)力得到了減少；當(dāng)拉伸應(yīng)變壓力大于焊接應(yīng)力時(shí)，就說(shuō)明焊接應(yīng)力在焊縫中留存的越來(lái)越多，殘余應(yīng)力增多；當(dāng)拉伸應(yīng)變壓力與焊接應(yīng)力相等時(shí)，就說(shuō)明此時(shí)達(dá)到了全部焊接應(yīng)力都得到了清除。從上述分析可知，通過(guò)低應(yīng)力無(wú)變形拉伸法雖然能在一定程度上消除殘余應(yīng)力的存在，但從大的范圍來(lái)看，依舊只能減緩焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，并且在拉伸過(guò)程中會(huì)形成新的殘余應(yīng)力，總而言之，該方法的適用范圍與后果導(dǎo)致此類消除方法具有局限性。

2.3 滾壓法

對(duì)焊接金屬進(jìn)行滾壓之前，應(yīng)當(dāng)將原有的焊接金屬的彈性數(shù)值設(shè)為εs，其中焊接殘余應(yīng)力設(shè)為σs，在利用滾壓法進(jìn)行焊接金屬工程時(shí)，由于滾壓形成的拉伸彈性會(huì)引起金屬可塑性能的增加與變形力度的加大，所以經(jīng)歷滾壓之后的彈性應(yīng)力變化值為εs-εp，殘余應(yīng)力值為E(εs-εp)，根據(jù)所得出的結(jié)論可以知道，E(εs-εp)εs,可以知道此時(shí)焊縫出現(xiàn)壓應(yīng)力。結(jié)合上述理論可以知道，在進(jìn)行滾壓焊接時(shí)，由于焊接金屬與外界條件的干涉，會(huì)導(dǎo)致金屬的拉伸性能提高，同時(shí)產(chǎn)生彈性變化應(yīng)力，在一定程度上降低了金屬中殘留的焊接殘余應(yīng)力，所以滾壓法是消除殘余應(yīng)力的有效措施與方法[3]。

2.4 溫差拉伸法

由北京機(jī)械工業(yè)出版社發(fā)行的《機(jī)械工程手冊(cè)》中這樣表述：“當(dāng)焊接金屬的首尾兩端受到外部高溫加熱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩端金屬受熱過(guò)度膨脹，高溫部位向低溫部位進(jìn)行焊縫拉伸轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生的拉伸變形應(yīng)力使得整體區(qū)域的可塑性大大提高，用于抵消原本殘留的壓縮變形之處，以便消除殘余應(yīng)力?！蓖ㄟ^(guò)上述文獻(xiàn)論證發(fā)現(xiàn)，在金屬兩端進(jìn)行溫度的增加處理后，在其他條件不變的情況下，能夠使得溫度較低的金屬部位收縮，溫度較高的地方金屬呈現(xiàn)膨脹，對(duì)其中焊接過(guò)程中形成的焊縫進(jìn)行物色處理，并且壓縮方向時(shí)沿著金屬加熱的縱向進(jìn)行壓縮處理，使得其中的殘余應(yīng)力有所降低。

3 焊接殘余應(yīng)力的消除原理

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)進(jìn)行金屬焊接作業(yè)時(shí)，其中的相對(duì)壓縮原理變形與金屬的可塑性不會(huì)在焊縫中產(chǎn)生，從而塑造有效的拉伸應(yīng)力與可塑性的變形，在參與應(yīng)力消除原理中，由于塑性應(yīng)力變化的產(chǎn)生以致于彈性應(yīng)力變化進(jìn)行相互抵消。一般來(lái)說(shuō)，在焊接金屬的焊縫中通常會(huì)有拉伸塑形應(yīng)變?cè)谄渲挟a(chǎn)生，產(chǎn)生的應(yīng)力能夠有效地消除殘余應(yīng)力。此外，還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，上述焊接殘余應(yīng)力的描述并不十分準(zhǔn)確，對(duì)拉伸塑性應(yīng)變與殘余應(yīng)力的抵消的原理解釋不全面[4]。

1）可塑性應(yīng)力變化時(shí)不可逆轉(zhuǎn)、不可恢復(fù)的變化，彈性應(yīng)力變化則是可逆轉(zhuǎn)、可恢復(fù)處理的變化，二者具有完全不同的性質(zhì)。當(dāng)沒(méi)有外物應(yīng)力的基礎(chǔ)上，由于焊接構(gòu)件中的可塑性應(yīng)力分布不均衡，會(huì)與彈性應(yīng)力在不同環(huán)境中產(chǎn)生數(shù)量與質(zhì)量的變化，因此，二者消除殘余應(yīng)力的抵消理論是難以實(shí)現(xiàn)的，不夠全面。

2）在對(duì)焊接殘余應(yīng)力的消除討論中，通過(guò)拉伸塑性應(yīng)力變化差異的產(chǎn)生，就能夠使其消除焊接殘余應(yīng)力是不切實(shí)際以及缺少理論支撐。在一個(gè)彈性應(yīng)力變化弱于拉伸塑性應(yīng)力變化時(shí)，存在經(jīng)過(guò)焊接形成的金屬質(zhì)量的增加，也變相擴(kuò)大了焊接構(gòu)件的體積，因此這方面理論支撐不夠?qū)嶋H。在進(jìn)行彈性應(yīng)力屈服拉伸應(yīng)力變化與可塑性應(yīng)力變化值中，存在焊接構(gòu)件原有的應(yīng)力變化，在重新評(píng)估后依舊會(huì)存在殘余應(yīng)力，只能減少殘余應(yīng)力，而不能消除。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)消除焊接殘余應(yīng)力，首先要根據(jù)殘余應(yīng)力形成的條件與環(huán)境進(jìn)行入手，即通過(guò)熱度應(yīng)力變化、相對(duì)金屬部位應(yīng)力變化以及拉伸可塑性能等方面出發(fā)，根據(jù)面臨的不同環(huán)境與金屬進(jìn)行選擇消除焊接殘余應(yīng)力的方式，通過(guò)熱量處理使得焊接形成的縫隙構(gòu)件進(jìn)行中和，再對(duì)其獨(dú)有應(yīng)力變化的源頭進(jìn)行焊接構(gòu)件的自我應(yīng)力消除。在常規(guī)焊縫形成過(guò)程中，由于金屬縫隙具有可塑性，并且能夠在一定條件下完成伸縮性能的改變，從而利用上述原理進(jìn)行殘余應(yīng)力的消除工作，實(shí)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的消除。