焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因分析及消除方法

黃華強(qiáng) 李柏松 魏守盼 王國友

（徐州徐工礦山機(jī)械有限公司，江蘇徐州221100）

1 殘余應(yīng)力分類及產(chǎn)生原因

焊接殘余應(yīng)力是指在焊接后，無外力作用下，存在于工件內(nèi)部并實(shí)現(xiàn)互相平衡的內(nèi)應(yīng)力。機(jī)械加工和強(qiáng)化工藝都能引起殘余應(yīng)力，如焊接、冷拉、彎曲、切削加工、滾壓、噴丸、鑄造、鍛壓和金屬熱處理等。殘余應(yīng)力一般是有害的，如零件在不適當(dāng)?shù)臒崽幚怼⒑附踊蚯邢骷庸ず?，?huì)因殘余應(yīng)力而發(fā)生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。

工程機(jī)械中，焊接結(jié)構(gòu)件較多，焊接過程中焊縫處金屬急劇加熱、快速冷卻，遠(yuǎn)離焊縫處溫度變化較小，溫度梯度較大，由此產(chǎn)生不均勻塑性變形而導(dǎo)致熱應(yīng)力[1]，同時(shí)，焊縫區(qū)金屬組織發(fā)生轉(zhuǎn)變將引起相變應(yīng)力，使得焊縫區(qū)承受殘余拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)承受殘余壓應(yīng)力。

焊件橫截面因各部分溫度不一樣產(chǎn)生的方向平行于焊縫軸線的應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力，方向垂直于焊縫軸線的應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力的影響

殘余應(yīng)力一般是有害的，當(dāng)殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加加強(qiáng)時(shí)，會(huì)影響結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度及壽命[2]，并且隨著應(yīng)力的逐步釋放，結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生緩慢的變形，影響結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)殘余應(yīng)力還會(huì)加劇構(gòu)件應(yīng)力腐蝕的速度[3]。當(dāng)殘余應(yīng)力方向與工作應(yīng)力方向相反時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命，起到應(yīng)力強(qiáng)化的作用。

3 焊接殘余應(yīng)力控制方法

3.1 焊接結(jié)構(gòu)

焊接是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的根本原因，減少焊縫數(shù)量和尺寸能有效減少焊接量，通過控制焊接量可有效減少應(yīng)力。在同等焊接強(qiáng)度下，焊縫尺寸較小的，其焊接殘余應(yīng)力較小。

應(yīng)盡量避免多條焊縫在同一部位集中，焊縫距離過近時(shí)，焊縫間會(huì)產(chǎn)生耦合，形成復(fù)雜殘余應(yīng)力場，焊縫間距離一般應(yīng)大于3倍板厚且不小于100 mm。

應(yīng)盡量采用剛度較小的焊接接頭形式，其結(jié)構(gòu)拘束度小，能夠通過變形釋放焊接應(yīng)力，殘余應(yīng)力較小。

3.2 焊接工藝

結(jié)構(gòu)組件拆分、焊前預(yù)熱、焊接參數(shù)設(shè)置、焊接順序等對(duì)焊接應(yīng)力影響較大。

將結(jié)構(gòu)件合理地拆分成若干組件，盡量在組件上完成焊縫焊接，同時(shí)減少焊接時(shí)的焊縫拘束度，由于組件剛度小，結(jié)構(gòu)能夠自由變形，可通過焊接變形減少殘余應(yīng)力。

焊前預(yù)熱可減少焊接時(shí)的溫度梯度與冷卻速度，使得不同部位焊接變形的差異變小，能夠有效降低焊接殘余應(yīng)力。預(yù)熱溫度根據(jù)金屬材料、結(jié)構(gòu)剛性、散熱情況的不同而異，溫差越小，越能使焊縫區(qū)與結(jié)構(gòu)整體盡可能均勻地冷卻，從而減少內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于淬硬傾向較大的材料、脆性材料或剛性較大的焊件，在焊接或焊補(bǔ)時(shí)常用此法。

焊接參數(shù)是影響熱輸入的重要因素，小參數(shù)焊接時(shí)熱輸入量小，能夠減少塑性變形區(qū)，進(jìn)而降低焊接殘余應(yīng)力。

合理的焊接順序應(yīng)保證焊縫縱向和橫向收縮均能比較自由，能夠通過控制焊接變形減少焊接應(yīng)力。在焊接時(shí)現(xiàn)場條件允許的條件下，盡量采取以下措施，以有效減小焊接殘余應(yīng)力：先焊收縮量大的接頭（對(duì)接接頭），后焊收縮量小的接頭（搭接、角接接頭）；先焊錯(cuò)開的短焊縫，后焊直線長焊縫或平行焊縫；盡量同時(shí)同方向焊接；從焊接結(jié)構(gòu)中心向外焊接等。

4 應(yīng)力消除方法

4.1 熱處理時(shí)效

熱處理法消除殘余應(yīng)力的基本原理是把工件加熱到略低于再結(jié)晶開始溫度，保溫后緩慢冷卻。在加熱保溫過程中由于溫度升高，金屬原子運(yùn)動(dòng)能力上升，使工件中晶格缺陷減少，導(dǎo)致晶格彈性畸變能量降低，使得部分或全部的變形回復(fù)到初始位置，從而達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力的目的[4]。

熱處理法在消除應(yīng)力的同時(shí)，通過均化組織能夠降低焊接熱影響區(qū)的硬度，同時(shí)也可消除焊縫中的氫，提高焊接件的抗腐蝕能力、脆性斷裂強(qiáng)度。但熱處理能耗高、成本高、污染嚴(yán)重、周期長，并且熱處理時(shí)若溫度控制不好，局部溫度過高會(huì)造成材料屈服強(qiáng)度下降，甚至可能出現(xiàn)再熱脆化和再熱裂紋。

熱處理時(shí)效溫度應(yīng)低于材料的最終熱處理溫度，否則會(huì)嚴(yán)重降低材料性能。正常情況下不對(duì)高強(qiáng)鋼和耐磨鋼進(jìn)行熱處理時(shí)效，這正是因?yàn)槠涑鰪S時(shí)一般為淬火+回火，回火溫度一般低于再結(jié)晶開始溫度，若對(duì)其進(jìn)行熱處理時(shí)效，往往會(huì)使其回火得到的組織性能受到損失。

4.2 超聲波沖擊強(qiáng)化

超聲波沖擊法消除殘余應(yīng)力的基本原理是以大功率超聲波設(shè)備為動(dòng)力源，推動(dòng)沖擊工具以20 000次/s以上的頻率沖擊工件表面，使工件發(fā)生塑性變形，在工件表面形成壓應(yīng)力強(qiáng)化作用[5]。該方法使用方便、成本低、效率高、無污染，目前在鋼結(jié)構(gòu)焊件中運(yùn)用十分廣泛。該方法還可提高焊接處疲勞強(qiáng)度，抑制焊接裂紋，降低焊接區(qū)域的應(yīng)力集中，穩(wěn)定構(gòu)件尺寸。

該方法主要用來處理焊縫區(qū)域，尤其是焊接缺陷最多的焊趾部位，裂紋的擴(kuò)展及應(yīng)力集中區(qū)都集中在焊趾處。而超聲波沖擊利用超聲波高頻率、高能量的特點(diǎn)，瞬間提供的加速度達(dá)到重力加速度的上萬倍，帶動(dòng)沖擊針，對(duì)焊縫焊趾處實(shí)行敲擊，實(shí)現(xiàn)焊趾處的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)塑性變形會(huì)鈍化尖端部位，閉合微觀裂紋，改善焊趾處的焊接缺陷。超聲波沖擊強(qiáng)化可使鋼制焊接接頭疲勞強(qiáng)度提高60%～180%，壽命延長10～135倍。

4.3 振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的原理是在激振力的作用下，使用某一頻率使金屬工件共振，通過振動(dòng)使焊件各部位在交變應(yīng)力與殘余應(yīng)力的合力作用下產(chǎn)生局部屈服，引起微小塑性變形，使構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力減小，并強(qiáng)化金屬基體。振動(dòng)處理法操作簡便、時(shí)間短、成本低且節(jié)能環(huán)保，可以使焊件中的應(yīng)力均勻分布，保持焊件尺寸穩(wěn)定，且對(duì)工件尺寸和形狀沒有限制，對(duì)于大型復(fù)雜工件具有很好的適應(yīng)性，但應(yīng)力消除效果受焊件尺寸、材料及振動(dòng)處理工藝的影響較大。

目前，振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力技術(shù)已得到廣泛發(fā)展，由傳統(tǒng)的高頻振動(dòng)發(fā)展為頻譜諧波振動(dòng)，振動(dòng)噪音由100～120 dB降低到75 dB以下，能夠根據(jù)工件特點(diǎn)及激振點(diǎn)、支撐點(diǎn)位置，自動(dòng)優(yōu)選諧振峰進(jìn)行處理，應(yīng)力去除效果顯著增加。

4.4 噴丸處理法

噴丸處理法是將高速彈丸噴射到工件表面，使工件表層發(fā)生塑性變形，而形成一定厚度的強(qiáng)化層。強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于工件表面壓應(yīng)力的存在，從而提高工件的疲勞強(qiáng)度。

有研究表明，噴丸處理法對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度沒有明顯影響，可使延伸率略有降低、表面硬度有所增高、沖擊韌度略有下降，但能大幅提高循環(huán)載荷作用下金屬的疲勞強(qiáng)度和耐應(yīng)力腐蝕能力。不過噴丸處理法會(huì)使材料表面的顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受噴表面變得粗糙。

5 檢測方法

殘余應(yīng)力檢測方法較多，這些檢測方法可以分為機(jī)械測量法和無損測量法兩大類。機(jī)械測量法原理為將具有殘余應(yīng)力的部件從構(gòu)件中分離或切割出來使應(yīng)力釋放，由測量其應(yīng)變的變化來求出殘余應(yīng)力，該方法會(huì)對(duì)工件造成一定損傷和破壞，但測量精度較高，技術(shù)也較為成熟，常見的有鉆孔法、切條法等；無損測量法就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被測量對(duì)象使用性能的前提下來測量殘余應(yīng)力的方法，常見的測量方法有磁測法、X射線衍射法、超聲波法等。

[1]方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]趙劍，卞冰.淺析焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及影響[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（6）：9.

[3]王永林，余錢.循環(huán)氨水管道泄漏原因分析及防漏措施[J].安徽冶金，2010（2）：39-42.

[4]張鐵浩，王洋，方喜風(fēng)，等.殘余應(yīng)力檢測與消除方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].精密成形工程，2017，9（5）：122-127.

[5]李棟.正面隨焊超聲波沖擊對(duì)焊接殘余應(yīng)力與變形的影響[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2017.