耿漢學(xué) GENG Han-xue

（中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司，南京 210048）

0 引言

焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的使用性能有一定影響，容易引起結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，而拉伸殘余應(yīng)力與壓縮殘余應(yīng)力會(huì)分別產(chǎn)生影響，前者即會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，后者即會(huì)減小穩(wěn)定性極限，因此焊接殘余應(yīng)力會(huì)直接導(dǎo)致焊接件變形和開裂。在焊接過程中，由于存在著諸多的不確定因素，所以對(duì)焊接殘余應(yīng)力的具體測(cè)定非常繁瑣，這也使相關(guān)研究難上加難，所以不斷深入研究焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力是非常有必要的。在實(shí)際焊接操作的過程中，焊接結(jié)構(gòu)的獲取往往是依靠經(jīng)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)，而在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，新工藝層出不窮，如果僅僅憑借經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)，或許要花費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，而最終獲得的焊接結(jié)構(gòu)也已經(jīng)過時(shí)，由此也會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，發(fā)揮計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)勢(shì)作用，在實(shí)際的模擬中，可以通過驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值是否適用，而對(duì)于焊接工藝、設(shè)計(jì)、參數(shù)的相關(guān)設(shè)置和篩選，都通過計(jì)算機(jī)來(lái)獨(dú)立完成，不僅節(jié)省了時(shí)間，也騰出了大量的人力來(lái)投入到其他的重要工作中，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的提升起著積極的促進(jìn)作用。

1 焊接應(yīng)力概念

焊接應(yīng)力是產(chǎn)生于焊接的過程中，焊接件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，當(dāng)焊接操作完成之后，焊接件內(nèi)部會(huì)存在一定的焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力會(huì)伴隨著焊接過程的進(jìn)行而發(fā)生一定的變化，其分布沒有一定的規(guī)律可循，由于焊接件本身的一些因素，在焊接過程中焊接應(yīng)力也會(huì)隨之變化。

2 產(chǎn)生焊接應(yīng)力的原因

2.1 焊接件受熱不均勻

在具體焊接的過程中，焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和變形，是由于在焊接中實(shí)際操作不均勻，在焊接中的焊接件位置引焊接操作實(shí)施所產(chǎn)生熱漲，而在沒有焊接的位置則沒有產(chǎn)生熱漲，因此熱漲變形受到了相應(yīng)的阻礙，最終在焊接完成后，會(huì)產(chǎn)生焊接變形以及焊接應(yīng)力。

2.2 焊接金屬出現(xiàn)收縮

焊接的過程即為融化焊接的材料，之后進(jìn)行金屬的填充，其在一般的常態(tài)下為全塑的狀態(tài)，而在整個(gè)焊接過程中，自身會(huì)發(fā)生變形，但不會(huì)拉動(dòng)其他材料的變形，由此產(chǎn)生金屬收縮，以及金屬變形和焊接應(yīng)力。

2.3 焊接件剛性約束

在焊接過程中，焊接變形以及焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，與焊接件的剛性約束有著一定的關(guān)系，焊接件的剛性越大，則發(fā)生焊接變形以及焊接應(yīng)力的概率就越小，反之亦然，因此焊接件剛性約束與焊接變形、焊接應(yīng)力之間是反比關(guān)系。

2.4 其它因素導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生

在具體的焊接操作過程中，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的因素有很多，如熱源、材料、剛性約束等，同時(shí)還伴有其他因素的影響。在焊接前期，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的局部零件進(jìn)行軋制，對(duì)焊接過程也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，所以在焊接時(shí)，要從多方面進(jìn)行考慮，綜合多種因素，由此來(lái)降低和消除殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，從而保障機(jī)械強(qiáng)度。

3 焊接應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響及危害

3.1 對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響及危害

一般情況下，外載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力兩者之和接近屈服點(diǎn)后，在該區(qū)域中的材料會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)也不再能承受外載力，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生一定的影響，結(jié)構(gòu)剛度會(huì)大大降低。當(dāng)結(jié)構(gòu)中有橫向焊縫、縱向焊縫、火焰校正等，在截面上會(huì)有殘余拉伸應(yīng)力，而這時(shí)應(yīng)將殘余拉伸應(yīng)力與構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行疊加，兩者疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)，則直接產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)剛度也會(huì)由此降低。

3.2 對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響及危害

在外載引起的壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力中壓應(yīng)力兩者之和接近屈服點(diǎn)后，而該區(qū)域截面的外載能力將會(huì)進(jìn)一步降低，而桿件的有效截面積也會(huì)因此削弱，有效截面積的分布也發(fā)生了根本性的變化，穩(wěn)定性也隨之發(fā)生變化。殘余應(yīng)力的分布，對(duì)受壓桿件的穩(wěn)定性產(chǎn)生著直接性的影響。對(duì)于接頭構(gòu)件中的應(yīng)力而言，其穩(wěn)定性與應(yīng)力有著直接的關(guān)系，在實(shí)際的加工過程中，由于構(gòu)件的部分要被去除，因此構(gòu)件發(fā)生了外觀上的變化，而構(gòu)件自身的穩(wěn)定性也與之前發(fā)生了一系列變化，因此對(duì)接頭構(gòu)件的精度也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)影響。

3.3 對(duì)靜載強(qiáng)度的影響及危害

如果構(gòu)件中的材料為脆性的材料，則塑性變形將無(wú)法進(jìn)行，一旦外力的不斷增大，則構(gòu)件中的應(yīng)力無(wú)法達(dá)到均勻化，而此時(shí)的應(yīng)力峰值在增大，并逐漸接近材料的屈服極限，則局部極容易被破壞，而后會(huì)發(fā)生構(gòu)件的斷裂。由于脆性材料中存在著殘余應(yīng)力，其承載能力會(huì)大大降低，斷裂也會(huì)隨之發(fā)生。低溫條件下的塑性材料，三向拉伸殘余應(yīng)力的存在，塑性變形較難發(fā)生，如果接頭為干脆性狀態(tài)，則焊接殘余應(yīng)力與外載作用力兩者會(huì)進(jìn)行疊加，從而降低構(gòu)件的承載能力，最終產(chǎn)生斷裂。

3.4 對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響及危害

殘余應(yīng)力能夠使變荷載應(yīng)力循環(huán)發(fā)生一定的變化，而此偏移變化會(huì)對(duì)平均值產(chǎn)生一定影響，不會(huì)影響其幅值。應(yīng)力循環(huán)與結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有著密切的聯(lián)系，一旦應(yīng)力循環(huán)平均值降低，則幅值會(huì)相應(yīng)增加，反之應(yīng)力循環(huán)平均值增加，則幅值會(huì)相應(yīng)降低。所以，應(yīng)力處一旦存在拉伸殘余應(yīng)力，則疲勞強(qiáng)度也會(huì)因此降低，應(yīng)力集中系數(shù)與殘余應(yīng)力兩者之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系。因此如何提高疲勞強(qiáng)度，則要從殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，可以從設(shè)計(jì)和工藝上進(jìn)行著手，由此來(lái)降低應(yīng)力集中系數(shù)，從而降低其對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響和危害。在對(duì)構(gòu)件荷載試驗(yàn)的過程中，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生著較大的影響，其能夠使接頭達(dá)到疲勞強(qiáng)度的極限，最終影響構(gòu)件的質(zhì)量。

3.5 對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響及危害

應(yīng)力腐蝕開裂，其開裂的原因即為殘余拉應(yīng)力與化學(xué)腐蝕的共同作用，當(dāng)接頭焊接完成之后，拉應(yīng)力也會(huì)隨之產(chǎn)生，而在遇到腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)在兩者的共同作用下產(chǎn)生構(gòu)件開裂現(xiàn)象。殘余應(yīng)力的大小，與應(yīng)力腐蝕開裂有著密切的聯(lián)系，具體而言是決定腐蝕開裂的時(shí)間，較大的殘余應(yīng)力，則開裂所需的時(shí)間也較短，反之則開裂需要更多的時(shí)間，一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，則構(gòu)件整體的穩(wěn)定性會(huì)受到相應(yīng)影響，而構(gòu)件自身的質(zhì)量也會(huì)受影響。

4 焊接應(yīng)力控制方法

4.1 焊接結(jié)構(gòu)

焊接殘余應(yīng)力由焊接結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，減少焊接量是降低應(yīng)力的最有效方式，而減少焊縫數(shù)，減少焊縫尺寸等都能夠達(dá)到減少焊接量的目的。在相同的焊接強(qiáng)度之下，較小的焊縫尺寸比大焊縫尺寸的殘余應(yīng)力要小很多。另外，這里應(yīng)該注意的是，盡量避免焊縫的集中，焊縫距離較近，焊縫間容易產(chǎn)生耦合，從而形成殘余應(yīng)力場(chǎng)，一般情況下焊縫間的距離應(yīng)不小于100mm，同時(shí)大于3倍板厚。與此同時(shí)，要采用剛度小的焊接接頭，這樣結(jié)構(gòu)的拘束度較小，從而形成的殘余應(yīng)力較小。

4.2 焊接工藝

在焊接的過程中，影響焊接應(yīng)力的主要因素有：焊接前的預(yù)熱、焊接的參數(shù)、焊接的順序、結(jié)構(gòu)組件拆分等。焊接前的預(yù)熱，能夠緩解焊接過程中的溫度過低或過高，使溫度趨向平緩，從而確保不同焊接部位變形差異的穩(wěn)定性，最終降低焊接殘余應(yīng)力。焊接前的預(yù)熱溫度，與金屬的材料、結(jié)構(gòu)剛性、散熱情況有著密切的聯(lián)系，其要根據(jù)材質(zhì)的不同特性來(lái)確定預(yù)熱溫度，溫度的差異越小，則焊縫區(qū)與整體結(jié)構(gòu)才能夠更加均勻的冷卻，從而達(dá)到減少殘余應(yīng)力的目的，此種方式的應(yīng)用，一般是脆性材料或剛性較大的焊接件。焊接參數(shù)的設(shè)置，對(duì)熱輸入有著重要的影響，小參數(shù)的設(shè)置，在焊接過程中熱輸入量也較小，塑性變形區(qū)也會(huì)相應(yīng)減少，最終降低殘余應(yīng)力。對(duì)于焊接的順序而言，要能夠確保焊縫的橫向和縱向收縮自如，通過控制焊接變形來(lái)降低焊接的殘余應(yīng)力。在條件允許的情況下，焊接中應(yīng)采取下述措施：即在焊接收縮量大的接頭后，再焊接收縮量小的；在焊接完短焊縫后，再焊接長(zhǎng)焊縫；先焊接結(jié)構(gòu)中心，再焊接結(jié)構(gòu)外部等等，以達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力的目的。在焊接前，將結(jié)構(gòu)組件進(jìn)行合理的拆分，并在組件上完成焊接，鑒于組件的剛度較小，在焊接的過程中，結(jié)構(gòu)能自由變形，所以可以根據(jù)焊接變形由此來(lái)減少殘余應(yīng)力。

4.3 消除焊接應(yīng)力的方法

消除焊接應(yīng)力的方法主要包含六種，以下針對(duì)幾種方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。

4.3.1 錘擊法

錘擊法，通過錘擊法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行控制，由于焊接殘余應(yīng)力是焊縫冷卻時(shí)所產(chǎn)生，所以通過應(yīng)用錘擊法，對(duì)焊縫和焊縫周邊進(jìn)行錘擊，使金屬慢慢展開，由此來(lái)降低殘余應(yīng)力。

4.3.2 震動(dòng)法

震動(dòng)法，通過震動(dòng)來(lái)消除殘余應(yīng)力，當(dāng)構(gòu)件的承受荷載到達(dá)了一定數(shù)值，并在多次循環(huán)下通過震動(dòng)能夠有效降低結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。此種方法所需要的成本不高，時(shí)間也較少，因此較多的用在不銹鋼、碳素鋼的內(nèi)部應(yīng)力消除上，且所取得的效果非常顯著。

4.3.3 整體高溫回火（消除應(yīng)力退火）

此方法是加熱整體的焊接結(jié)構(gòu)，并能夠持續(xù)保溫一段時(shí)間，接著再冷卻。對(duì)于相同的材料而言，應(yīng)力消除的是否徹底，與回火溫度和時(shí)間有著密切聯(lián)系。通過利用整體高溫回火，能夠消除80%-90%的殘余應(yīng)力。該方法也有其自身的缺點(diǎn)，即如果焊接結(jié)構(gòu)較大，則需要較大的回火爐，而相對(duì)的投資費(fèi)用也會(huì)增加。

4.3.4 機(jī)械拉伸法

在焊接件焊接完成后，會(huì)產(chǎn)生不同程度的壓縮殘余變形，即殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，所以通過機(jī)械拉伸法，可以起到有效的加載拉伸，減少壓縮參與變形的發(fā)生，從而降低和消除殘余應(yīng)力。

4.3.5 溫差拉伸法（低溫消除應(yīng)力法）

基本原理與機(jī)械拉伸法相同。

溫差拉伸法與機(jī)械拉伸法的原理大致相同，即為在焊縫兩側(cè)加熱到150～200℃，然后用水冷卻使焊縫區(qū)域受到拉伸塑性變形，由此來(lái)控制焊縫縱向殘余應(yīng)力，此種方法往往用于焊縫比較規(guī)則、厚度不大（＜40mm）的板、殼結(jié)構(gòu)。

4.3.6 局部高溫回火

對(duì)焊接過程中的焊縫及周邊區(qū)域進(jìn)行加熱，由此來(lái)減少和消除應(yīng)力，局部高溫回火與整體高溫回火相比，其所使用的設(shè)備簡(jiǎn)單，固該方法普遍用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的焊接結(jié)構(gòu)。

5 應(yīng)用案例

錘擊法，在消除應(yīng)力的眾多方法中，其有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即操作較為簡(jiǎn)便，施工不受限定條件的約束，能夠最大程度的節(jié)省能源，成本實(shí)現(xiàn)了最低化，效率得到了提高。在錘擊法使用的過程中，也有其自身的一些弊端，傳統(tǒng)錘擊法即通過手錘來(lái)進(jìn)行錘擊，具有較大的勞動(dòng)強(qiáng)度，而在操作過程中存在著隨意性，規(guī)范程度也不夠，所以錘擊法也使用過程中也存在著諸多的限制。以下對(duì)錘擊參數(shù)與消除應(yīng)力效果之間的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)分析，從而對(duì)錘擊在消除殘余應(yīng)力中的實(shí)際應(yīng)用作了進(jìn)一步研究，為相關(guān)研究工作者提供了可行性的參考依據(jù)，對(duì)錘擊處理的進(jìn)一步研究有著重要意義。

5.1 試驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

5.1.1 焊接試驗(yàn)

試件采用低碳鋼，尺寸如圖1所示。

圖1 試樣尺寸示意圖

在試件的中心位置鉆孔，其尺寸為φ20×5mm，在此次焊接試驗(yàn)中，其中焊接材料所采用的是E4303，相對(duì)直徑尺寸為φ4.0mm，而將U=28～32V，I=190～210A設(shè)置為焊接的工藝參數(shù)。

5.1.2 錘擊試驗(yàn)

將試樣進(jìn)行焊接完成之后，對(duì)其中的殘余應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，接著采用錘擊方法開始試驗(yàn)。對(duì)殘余應(yīng)力的影響，以不同的錘擊時(shí)間為分析點(diǎn)，從而進(jìn)行錘擊處理，選取的錘擊時(shí)間分別為：1min，3min和5min，在不同錘擊時(shí)間下，對(duì)殘余應(yīng)力的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析。

5.2 錘擊參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在采用錘擊處理方法消除殘余應(yīng)力的過程中，而錘擊參數(shù)對(duì)其有著一定的影響，錘擊參數(shù)包含：錘擊時(shí)間、頻率和大小，錘頭的性狀和尺寸等等。在本次研究試驗(yàn)中，主要對(duì)錘擊時(shí)間這個(gè)參數(shù)對(duì)于焊接殘余應(yīng)力效果的影響。

錘擊時(shí)間的長(zhǎng)短，與錘擊處理效果有著密切的聯(lián)系，即錘擊時(shí)間越長(zhǎng)，焊縫所發(fā)生的塑性變形也會(huì)越大，而拉伸應(yīng)力會(huì)因此降低，錘擊時(shí)間分別為1min，3min和5min時(shí)，其應(yīng)力的變化是非常明顯的，具體在分布圖可以看出，如圖2。從圖2中，不同錘擊時(shí)間下的應(yīng)力幅值呈現(xiàn)一定的規(guī)律，即焊接金屬的變形隨著錘擊時(shí)間的增加而增大，由此可以降低焊縫的殘余應(yīng)力。在熔合線處（r=0），錘擊時(shí)間和應(yīng)力降低幅值之間的關(guān)系如圖3。

圖2 不同錘擊時(shí)間下的應(yīng)力幅值降低分布圖（沖擊功為4.8J）

圖3 錘擊時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力的影響

從圖3中能夠明顯看出，在錘擊時(shí)間增加的過程中，殘余應(yīng)力的降低幅值也會(huì)隨之增大，消除殘余應(yīng)力也呈現(xiàn)出較好的效果，但是殘余應(yīng)力降低幅值增加的速度也相應(yīng)發(fā)生了變化，即呈現(xiàn)變緩趨勢(shì)。從圖3中能夠明顯看出，錘擊時(shí)間從0-1，1-3，3-5（單位：min）的變化中，其應(yīng)力降低幅值增加分別為：130，30，9（單位：MP），造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于加工硬化所導(dǎo)致，隨著錘擊時(shí)間的增加，在錘擊處的金屬由于加工硬化而越來(lái)越嚴(yán)重，其此處的強(qiáng)度和變形抗力也會(huì)因此增大，在塑性變形中會(huì)越來(lái)越難。

如果焊縫的金屬是塑性較差的材料，則一旦錘擊過度，則會(huì)超過焊縫的塑性極限，同時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋，形成焊縫隱患。與此同時(shí)，錘擊的時(shí)間長(zhǎng)會(huì)加重焊縫金屬的加工硬化，從而使塑性變形變得越來(lái)越困難。因此，通過上述試驗(yàn)可以得出，在采用錘擊法消除殘余應(yīng)力的過程中，錘擊的時(shí)間最好控制在1min以內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在焊接的過程中，要對(duì)焊接工藝有所了解，針對(duì)不同的材料，選擇合適的焊接方法，由此來(lái)降低和消除焊接殘余應(yīng)力，并采取有效的控制措施。在具體的焊接實(shí)踐中，要學(xué)會(huì)摸索和積累經(jīng)驗(yàn)，從多方面進(jìn)行考慮，最終提升焊接的質(zhì)量，提高施工進(jìn)度。