焊接殘余應(yīng)力的危害及處理方法

蔣莉莎

（安徽省滁州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 滁州 239000）

焊接殘余應(yīng)力的危害及處理方法

蔣莉莎

（安徽省滁州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 滁州 239000）

焊接殘余應(yīng)力是焊件產(chǎn)生變形和開(kāi)裂等缺陷的主要原因，本文主要介紹建筑鋼結(jié)構(gòu)中焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因及其危害。并簡(jiǎn)要介紹處理焊接殘余應(yīng)力的方法，希望能夠?qū)窈筇岣弋a(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量、提高構(gòu)件的壽命及減少安全隱患方面提供一些有效對(duì)策。

鋼結(jié)構(gòu)；焊接殘余應(yīng)力；剛度；強(qiáng)度

引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是材料強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)自重輕、有良好的延性、抗震性能好、工業(yè)化程度高等，能滿足建筑上大跨度、大空間以及多用途的各種要求，同時(shí)施工速度快。連接在鋼結(jié)構(gòu)中普遍存在，占有重要的地位。鋼結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)連接的方式可分為兩大類：焊縫連接和緊固件（螺栓、鉚釘?shù)龋┻B接。鉚釘連接由于費(fèi)鋼費(fèi)工,現(xiàn)在除了一些重型和經(jīng)常受動(dòng)力荷載作用的結(jié)構(gòu)仍然采用外,已很少采用鉚釘連接。近年發(fā)展起來(lái)的高強(qiáng)螺栓的連接,雖具有很大的發(fā)展前途,但就目前而言,螺栓連接仍非主要的連接方式,焊縫連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中最主要的連接方式。它的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，任何形式的構(gòu)件都可直接相連；用料經(jīng)濟(jì)，不削弱截面；制作加工方便，即可手工施焊也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作；連接的封閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大，整體性較好。目前在工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)中,焊接結(jié)構(gòu)已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

然而，金屬構(gòu)件在焊接過(guò)程中的不均勻加熱會(huì)在焊接構(gòu)件的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材的金相組織發(fā)生改變，導(dǎo)致局部材質(zhì)變脆；焊接殘余應(yīng)力和殘余變形使構(gòu)件受力時(shí)變形增加，降低了構(gòu)件的的剛度和穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。因此，研究構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力對(duì)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)都有著重大的意義[1]。

一、焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因

焊接殘余應(yīng)力（welding residual stresses）簡(jiǎn)稱焊接應(yīng)力，有沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向殘余應(yīng)力，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向殘余應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。

（一）縱向焊接應(yīng)力

縱向焊接應(yīng)力就是平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力。在施焊時(shí)，鋼板中會(huì)產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng),從而產(chǎn)生不均勻的膨脹（圖1）。溫度高的鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度較小、膨脹量較小的鋼材所限制，產(chǎn)生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí)，被塑形壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮短，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應(yīng)力經(jīng)常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度。焊接應(yīng)力是一種無(wú)荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠(yuǎn)處產(chǎn)生壓應(yīng)力[2][3]。

圖1 施焊時(shí)焊縫及附近的溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力

（二）橫向焊接應(yīng)力

橫向焊接應(yīng)力的方向與焊縫長(zhǎng)度垂直,產(chǎn)生橫向焊接應(yīng)力的原因可分為2個(gè)方面。：一是由于焊縫縱向收縮，使兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，但實(shí)際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開(kāi)，于是兩塊板的中間產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而兩端則產(chǎn)生壓應(yīng)力（圖2b）。二是由于先焊的焊縫已經(jīng)凝固，會(huì)阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使其發(fā)生橫向塑形壓縮變形。當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而先焊部分則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，在最后施焊的末端的焊縫中必然產(chǎn)生拉應(yīng)力（圖2c）。焊縫的橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成的結(jié)果（圖 2d）

圖2 焊縫的橫向殘余應(yīng)力

（三）厚度方向的焊接應(yīng)力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。因此，除有縱向和橫向焊接應(yīng)力 x、y外，還存在著沿鋼板厚度方向的焊接應(yīng)力 z（圖3）。溫度沿厚度方向分布不均,表面先冷卻,中間后冷卻,中間部分收縮時(shí),受到表面已凝固焊縫阻止,中間層受拉,而外層受壓。

圖3 厚板中的焊接殘余應(yīng)力

二、焊接殘余應(yīng)力的危害

（一）殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形的影響

殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形的影響包括兩個(gè)方面：一是構(gòu)件抵抗靜、動(dòng)載荷的變形能力，另外就是載荷卸除后變形的恢復(fù)能力。殘余應(yīng)力在這兩方面對(duì)構(gòu)件的影響相當(dāng)大。

殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。構(gòu)件受外力時(shí)，與殘余應(yīng)力相互作用，使構(gòu)件某些局部呈塑性變形，截面內(nèi)應(yīng)力重新分布；當(dāng)外力去除時(shí)，整個(gè)構(gòu)件發(fā)生變形。所以，殘余應(yīng)力明顯地影響構(gòu)件加工后的精度。

（二）殘余應(yīng)力對(duì)受壓焊件穩(wěn)定性的影響

受壓焊件在外載作用下，其截面實(shí)際應(yīng)力是荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加，使部分截面提前屈服而進(jìn)入塑性狀態(tài)。由于這部分截面提前退出工作，導(dǎo)致有效截面減小，慣性矩下降，整體穩(wěn)定性降低。

（三）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響

構(gòu)件上的焊接殘余應(yīng)力會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度。當(dāng)外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力s與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)fy時(shí),這一區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形,喪失了進(jìn)一步承受外荷載的能力,造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小,結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。構(gòu)件上有縱向和橫向焊縫時(shí)(例如工字梁上的肋板焊縫),或經(jīng)過(guò)火焰校正,都可能在較大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力,雖然在構(gòu)件長(zhǎng)度上的分布范圍并不太大,但是它們對(duì)剛度仍然能有較大的影響。特別是采用大量火焰校正后的焊接梁,在加載時(shí)剛度和卸載時(shí)的回彈量可能有較明顯的下降,對(duì)于尺寸精確度和穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)是不容忽視的。

（四）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂縫生成、擴(kuò)展以致斷裂破壞的現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。殘余應(yīng)力的存在使動(dòng)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后,應(yīng)力幅值產(chǎn)生變化,將對(duì)結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此,如應(yīng)力集中處存在的殘余拉應(yīng)力較大,疲勞強(qiáng)度就會(huì)明顯降低。應(yīng)力集中系數(shù)越高,殘余應(yīng)力的影響也就越顯著。因此,焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯不利影響[4]。

三、消除殘余應(yīng)力的方法

由于構(gòu)件中殘余應(yīng)力的不良影響，科技人員針對(duì)構(gòu)件中殘余應(yīng)力的控制與消除做了大量的工作，一方面通過(guò)合理的焊縫設(shè)計(jì)和焊接工藝措施來(lái)控制焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，另一方面提出一些消除殘余應(yīng)力的措施：

（一）自然時(shí)效：將工件暴露于室外，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月至幾年時(shí)間，穩(wěn)定尺寸精度。但殘余應(yīng)力變化并不明顯，僅降低2%～10%。

（二）熱時(shí)效法：將構(gòu)件加熱到塑性狀態(tài)的溫度范圍內(nèi)，在此溫度下保溫一定的時(shí)間，使應(yīng)力消除，再緩慢冷卻。熱時(shí)效法是比較可靠且工藝相對(duì)成熟的殘余應(yīng)力去除方法。但其存在耗能大、成本高、污染重的缺點(diǎn)。

（三）局部低溫勢(shì)處理：對(duì)于焊接件而言，在焊縫近區(qū)兩側(cè)不太寬的范圍內(nèi)加熱，及中間近區(qū)部位冷卻，造成一個(gè)溫差，使焊縫和近區(qū)的材料受到拉伸并達(dá)到塑性變形的程度，此塑性變形抵消焊接過(guò)程中的壓縮塑性變形，從而使焊縫近區(qū)拉伸殘余應(yīng)力消除。

（四）磁振動(dòng)消除殘余應(yīng)力技術(shù)：將工件在固有頻率下進(jìn)行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動(dòng)處理，消除其殘余應(yīng)力，獲得尺寸穩(wěn)定的一種方法，振動(dòng)消除殘余應(yīng)力就是用振動(dòng)處理的方法來(lái)代替熱時(shí)效和自然時(shí)效，具有投資少、生產(chǎn)周期短、節(jié)約能源、降低成本、使用方便、效果顯著等特點(diǎn)。對(duì)于焊接殘余應(yīng)力越高，振動(dòng)時(shí)效處理降低應(yīng)力越多，均化效果越好[5]。

（五）爆炸法消除殘余應(yīng)力：它是利用爆炸沖擊波的能量使樣品塑性變形，從而達(dá)到降低或消除殘余應(yīng)力的目的。爆炸時(shí)可使金屬在拉伸殘余應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生伸長(zhǎng)塑性變形，在壓縮殘余應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性變形，兩種情況都可導(dǎo)致殘余應(yīng)力的降低[6]。

四、結(jié)束語(yǔ)

在冷、熱加工過(guò)程中，構(gòu)件內(nèi)部不可避免地、不同程度地存在殘余應(yīng)力，致使構(gòu)件在服役期間的使用壽命受很大影響，而且多數(shù)情況下是負(fù)面影響；結(jié)果導(dǎo)致工件過(guò)早地失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至危及生命。因此，采取恰當(dāng)?shù)拇胧┘皩?duì)策，消除或減輕殘余應(yīng)力的影響并預(yù)防事故的發(fā)生，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。在目前的建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中，除熱時(shí)效外尚有多種消應(yīng)力工藝尚未得到有效應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)用試驗(yàn)，把在其他行業(yè)已成功的技術(shù)進(jìn)行移植、推廣應(yīng)用，并逐步建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)焊接技術(shù)在國(guó)際上占領(lǐng)先地位；這兩種工藝對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的荷載特點(diǎn)和制造要求具有良好的適用性，應(yīng)首先加強(qiáng)這兩種工藝的應(yīng)用試驗(yàn)。

[1]米谷貌.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2]張家旭.鋼結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997：48-50.

[3]陳 驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001：49-51.

[4]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2005：56-57.

[5]夏正旭.振動(dòng)法消除焊接殘余應(yīng)力及對(duì)力學(xué)性能影響的研究.[D].第六屆全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集，1990,4：45.

[6]朱中華,鑄件殘余應(yīng)力的爆炸消除法[J].鑄造,1997,(1)：36-38.

TG404 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

1003－5060（2011）02－0064－02

2011-06-07

蔣莉莎(1983-)，女，安徽滁州人，滁州市水利設(shè)計(jì)院助理工程師。