焊接殘余應(yīng)力的測定及消除方法

王秀峰

摘 要：在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中，焊接作為至關(guān)重要的應(yīng)用技術(shù)，其應(yīng)用的范圍非常廣泛，具有許多顯著的優(yōu)勢，但是也具有一定的缺陷，鋼結(jié)構(gòu)焊接的殘余應(yīng)力和焊接中出現(xiàn)的變形問題。在鋼結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)中，如果出現(xiàn)鋼材結(jié)構(gòu)的溫度不均勻，就會導(dǎo)致鋼材結(jié)構(gòu)出現(xiàn)許多焊接殘余應(yīng)力，從而造成焊接的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形以及開裂問題，影響了鋼結(jié)構(gòu)焊接施工質(zhì)量。本文主要針對鋼結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)中殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因進行了深入分析，并對殘余應(yīng)力的影響展開了探討，并提出了控制鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力和變形的方法。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；焊接；殘余應(yīng)力；變形

引言

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國的焊接加工技術(shù)也在不斷發(fā)展進步，現(xiàn)代化焊接加工技術(shù)具有比較明顯的技術(shù)優(yōu)勢，能夠提高鋼結(jié)構(gòu)焊接的精細化水平。

1、焊接應(yīng)力與焊接變形的定義

1）焊接應(yīng)力：鋼材在焊接過程中，焊件部位會因為焊接時的局部高溫產(chǎn)生不均勻的溫度場。高溫時，有一部分鋼材會產(chǎn)生很大的膨脹和伸長，但由于受到鄰近鋼材的約束影響，會在焊件內(nèi)部產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力。在焊接的過程中，這種收縮應(yīng)力伴隨著焊接時間的變化和溫度的升降變化不斷的改變，而這種收縮應(yīng)力就被定義為焊接應(yīng)力。2）焊接變形：焊接構(gòu)件在焊接及逐漸冷卻的過程中，由于焊接構(gòu)件局部受熱且受熱不均勻，同時焊接構(gòu)件冷卻也不均勻，因此焊接構(gòu)件不僅會產(chǎn)生焊接應(yīng)力，還會產(chǎn)生各種變形。這種焊件產(chǎn)生的變形，被稱為焊接變形。

2、鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因

在鋼結(jié)構(gòu)焊接的過程中，由于對焊接鋼構(gòu)件局部加熱，使得焊縫附近區(qū)域的溫度很高，而遠離焊縫的金屬基本上不受熱，其溫度與室內(nèi)溫度差不多。在焊接鋼構(gòu)件局部加熱的過程中，焊縫附近金屬由于受熱作用會產(chǎn)生膨脹。而遠離焊縫的金屬未受熱不發(fā)生膨脹，但卻會嚴重制約焊縫附近金屬的膨脹過程，這樣使得焊縫附近金屬會產(chǎn)生部分塑性變形。同樣，在焊接金屬冷卻時也會受到周邊未加熱金屬的影響，制約了焊接金屬自由塑性收縮，使整個焊接鋼構(gòu)件均產(chǎn)生了收縮現(xiàn)象，同時也會產(chǎn)生焊接應(yīng)力及焊接變形，這樣就使得焊接鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了各種變形。

3、鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力與焊接變形的種類

3.1焊接應(yīng)力種類

鋼材從開始焊接到鋼材冷卻后，鋼材內(nèi)部由于溫度變化引起的熱脹冷縮到達到室溫時還有殘存的應(yīng)力存在，這種應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力按受力方向可分為以下三種：1）縱向焊接殘余應(yīng)力鋼材焊接時，焊件上會產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫及其附近溫度可達到1600℃，而其鄰近部位溫度相對較低。鋼材在高溫處變形大，而低溫處變形小，高溫處變形受到低溫處鋼材的限制，就會產(chǎn)生熱狀態(tài)下的塑性壓縮變形。焊縫冷卻至常溫時，與初始長度相比，被塑性壓縮的焊縫區(qū)長度變短了，同時兩側(cè)鋼材限制了這種縮短變形，以至于焊縫區(qū)出現(xiàn)了縱向的拉應(yīng)力，這就是所謂的縱向焊接殘余應(yīng)力。2）橫向焊接殘余應(yīng)力橫向焊接殘余應(yīng)力有兩部分組成。一部分是焊縫發(fā)生縱向收縮，使得兩塊鋼板發(fā)生反向的彎曲變形。兩塊鋼板通過焊縫連接可以連成一個整體。但焊縫的作用會使得兩塊鋼板中間有橫向拉應(yīng)力產(chǎn)生，而兩端會有壓應(yīng)力產(chǎn)生。另一部分是由于焊接順序的不同導(dǎo)致焊縫的冷卻時間不一致，最開始焊縫先凝固同時具有一定的強度，這樣就阻止了后來焊的焊縫的橫向自由膨脹，使得后焊的焊縫發(fā)生了橫向塑性壓縮變形。由于先焊焊縫凝固，中間焊縫再逐漸凝固，后焊焊縫最后才凝固，這三部分會產(chǎn)生杠桿作用，后焊部分因為收縮而受垃，先焊部分因杠桿作用也受垃，而只有中間部分受壓。這兩種橫向應(yīng)力通過疊加成為最后的橫向殘余應(yīng)力。3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力厚度比較大的鋼板進行焊接時，由于焊縫與鋼板接觸面和空氣接觸，使得其散熱較快而先冷卻，但內(nèi)部的焊縫不與空氣接觸而后冷卻，后冷卻的焊縫的收縮變形會受到外面已凝固的焊縫阻礙，從而形成了中間受垃、四周受壓的應(yīng)力狀態(tài)。

3.2焊接變形種類

按焊接殘余變形的外觀形態(tài)分為以下幾種變形。1）縱向變形—焊接后指的是焊件沿著焊接方向發(fā)生收縮。2）橫向變形—焊接后指的是焊件垂直于焊接方向發(fā)生收縮。3）撓曲變形—穿過焊縫線并與板件垂直的平面內(nèi)變形。4）角變形—焊接后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移。5）波浪變形—焊接后構(gòu)件呈現(xiàn)波浪形。6）扭轉(zhuǎn)變形—焊接后結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)扭曲。

4、鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力以及變形控制的方法

4.1控制鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的方法

在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，受到殘余應(yīng)力的影響，將會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊接的整體質(zhì)量降低，為了有效控制殘余應(yīng)力，提高鋼結(jié)構(gòu)焊接加工質(zhì)量。可以選擇應(yīng)用這樣幾種方法：第一，采用焊接熱處理法。其主要利用退火處理技術(shù)，使焊接受熱的溫度不斷提高，從而有效延長保溫時間，避免出現(xiàn)冷熱不均勻的問題。但是在應(yīng)用這一技術(shù)時，需要把溫度控制在合理的范圍內(nèi)，一旦焊接的溫度太高，就可能會造成鋼結(jié)構(gòu)氧化過重的問題。第二，應(yīng)用錘擊消除法。在鋼結(jié)構(gòu)焊接中應(yīng)用錘擊消除法，主要在焊接加工完成之后，需要應(yīng)用水錘敲擊焊接的位置，這樣能夠使焊接的位置保持延展，從而消除熱脹冷縮反應(yīng)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止鋼結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生變形的問題。但是在錘擊焊接部位時，必須確保母材受力均勻。第三，振動消除法。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在當(dāng)前的鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，主要采用振動消除法，來有效消除焊接殘余應(yīng)力。振動消除法的處理時間非常短，能夠降低加工成本，不會產(chǎn)生氧化過重的問題。其中使用的激振器中包含了偏心輪以及變速馬達，所以能夠讓焊接結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)共振循環(huán)反應(yīng)，進而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力逐漸降低。

3.2控制鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的方法

在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，為了有效控制鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的問題，首先需要嚴格控制焊接量，避免焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)。在鋼結(jié)構(gòu)材料焊接加工前必須做好充足的準備工作，深入了解和分析鋼結(jié)構(gòu)的基本特征，焊縫的尺寸需要進行嚴格管理，母材不能進行焊縫。其次，在鋼結(jié)構(gòu)焊接中需要合理調(diào)整焊接工藝次序，對于不必要的焊接次序需要進行優(yōu)化調(diào)整，如果鋼結(jié)構(gòu)的收縮量比較大，那么需要提前焊接，然而繼續(xù)焊接長直縫，只有遵循先大后小的原則，才能避免殘余應(yīng)力。最后，在先進的科學(xué)技術(shù)支撐下，可以不斷改善焊接技術(shù)，加強應(yīng)用全新的焊接技術(shù)，例如：二氧化碳保護焊以及氬弧焊，這些焊接工藝技術(shù)都能避免鋼結(jié)構(gòu)變形問題產(chǎn)生。

結(jié)束語

總而言之，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的推動下，為了有效控制鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力與變形問題，需要加強應(yīng)用先進的操作技術(shù)，注重保護鋼結(jié)構(gòu)的強度、剛度與穩(wěn)定性，延長使用壽命，減少裂縫問題，才能促進鋼結(jié)構(gòu)焊接加工朝著精細化發(fā)展。

參考文獻

[1]陳萬華，牟志超，祝長江，孫德文，王太江，吳祥新.304L奧氏體不銹鋼的焊接殘余應(yīng)力熱處理去除試驗研究[J].新技術(shù)新工藝，2017（01）：1-4.

[2]陳飛鵬.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及焊接變形控制[J].工程技術(shù)研究，2017（01）：30-31.

[3]朱愛華，姚鵬，李楠楠，李和林，邢軍偉，段玥晨，劉國寧.22MnB5鋼焊接溫度場及殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬[J].鑄造技術(shù)，2017，38（01）：193-197.

[4]王斌.焊接應(yīng)力對構(gòu)件的危害及消除[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（01）：109-110.

[5]高占遠，郭彥林.大型或復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力與變形研究進展[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2016，33（05）：108-119.

[6]孫加民，朱家勇，夏林印，鄧德安.電渣焊接頭焊接殘余應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報，2016，37（05）：23-27+130.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）