殘余應(yīng)力消除與測量在船舶制造中的應(yīng)用分析

肖健 張偉祥 李志輝 路慶浩

摘 要：通過介紹結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力存在的危害，梳理目前船舶制造過程中主要采用的殘余應(yīng)力消除與測量方法，從各方法的基本原理出發(fā)，介紹每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，適用范圍以及對測量環(huán)境的要求，為工程技術(shù)人員在選擇殘余應(yīng)力消除與測量方法時提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：焊接;殘余應(yīng)力;消除;測量

中圖分類號：U66 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）08-0078-03

隨著船舶用途多功能化，船舶制造智能化、自動化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化造船技術(shù)日新月異，焊接方法從原來的焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊等以人為主的作業(yè)方式逐步發(fā)展成自動化、機(jī)械化的埋弧自動焊、激光焊，甚至是智能機(jī)器人焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但是，由于焊接過程是點(diǎn)熱源加熱的方式，引起材料受熱不均勻，在冷卻后結(jié)構(gòu)件內(nèi)部會產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力是無法避免的。焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、剛度及對結(jié)構(gòu)加工精度和尺寸穩(wěn)定性都會產(chǎn)生影響。在很多因結(jié)構(gòu)失效或者斷裂的事例中，研究發(fā)現(xiàn)都是因?yàn)橛泻堄鄳?yīng)力的存在，使得焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生裂紋，而裂紋在使用中逐步擴(kuò)散直至斷裂造成的。另外，焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘余應(yīng)力具有不穩(wěn)定性，會隨著時間的推移、溫度的改變而發(fā)生變化，殘余應(yīng)力的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外形尺寸、開孔尺寸、結(jié)構(gòu)對稱度等與設(shè)備配合的關(guān)鍵尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而引起零部件的磨損甚至是設(shè)備功能喪失。因此，在船舶制造過程中，通過合理的工藝措施，采用適宜的殘余應(yīng)力消除與測量方法，對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行殘余應(yīng)力控制和消除。

1 殘余應(yīng)力的消除方法

1.1錘擊法

錘擊法是用工具錘擊焊縫，使焊縫產(chǎn)生塑性變形，用以抵消焊縫在冷卻過程中一部分的收縮量，這樣就可以起到降低焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力的效果。作為目前在船舶制造過程中最為常用的一種工藝措施，適用于船舶制造的各個組立階段，有著施工方便，工具簡單的特點(diǎn)。采用錘擊法的時段非常重要，有多項(xiàng)研究表明，在焊縫熱態(tài)時對焊縫進(jìn)行錘擊，焊縫縱向和橫向的平均殘余應(yīng)力、最大殘余應(yīng)力值都明顯低于焊縫冷卻至環(huán)境溫度后再進(jìn)行錘擊的結(jié)果，主要是因?yàn)楹缚p在熱態(tài)時具有良好的塑性，變形阻力相對較小，有利于焊縫殘余應(yīng)力的釋放，因此錘擊法應(yīng)在焊縫還未完全冷卻，保持較好塑性的熱態(tài)時進(jìn)行，并且錘擊時保持力度適中、錘擊點(diǎn)均勻，以防止因不當(dāng)錘擊產(chǎn)生裂紋。

1.2熱時效法（TSR）

熱時效法消除殘余應(yīng)力是將金屬構(gòu)件整體或局部以一定的速率加熱到再結(jié)晶溫度以上并保溫一段時間，改變構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，從而達(dá)到消除或降低殘余應(yīng)力的目的。熱時效法在應(yīng)用時工藝要求比較苛刻，如退火溫度的設(shè)定，保溫時間，升溫及降溫速度等，都會影響殘余應(yīng)力的消除效果。溫度控制得當(dāng)，殘余應(yīng)力的消除效果能達(dá)到50%—70%，溫度控制不當(dāng)可能會損傷構(gòu)件、導(dǎo)致構(gòu)件變形等。依據(jù)材料屬性的不同，采用的熱處理工藝也有很大差別。

熱時效法在船舶制造領(lǐng)域有一定的局限性，由于船廠沒有熱處理爐，需將加工后的結(jié)構(gòu)件重新送回鋼廠，由鋼廠進(jìn)行熱處理，使結(jié)構(gòu)件恢復(fù)性能，目前主要用于鑄鍛件焊后熱處理、經(jīng)冷熱加工后力學(xué)性能和機(jī)械性能有明顯下降的調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼。盡管該方法存在局限性，運(yùn)輸成本和制造周期增加，但是也是目前必不可少的消除殘余應(yīng)力，保證產(chǎn)品質(zhì)量的方法。

1.3振動消除應(yīng)力法（VSR）

振動消除應(yīng)力法又稱振動時效，在國外的應(yīng)用已極其普遍，我國從20世紀(jì)70年代開始采用。其基本原理是通過偏心輪和變速馬達(dá)組成的激振器，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，利用共振產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加超過材料的屈服極限時，構(gòu)件內(nèi)部會發(fā)生塑性變形，進(jìn)而達(dá)到減輕、均化構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的目的。振動消除應(yīng)力法有兩種方式，一種將構(gòu)件固定在振動平臺上，一種是將激振器直接固定在結(jié)構(gòu)件上。前者適用于尺寸規(guī)格不大，可批量處理的小組立或中組立結(jié)構(gòu)件，后者適用于分段或總段等大型尺寸構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力的消除。

目前，我國振動消除應(yīng)力法的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，制造的振動時效裝置有BN-1神舟系列頻譜振動時效系統(tǒng)、VAⅡ智能超級時效系統(tǒng)、ZS20087超級全自動振動時效裝置、ZS95經(jīng)濟(jì)型振動時效裝置等。這些裝置可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)、動態(tài)跟蹤、數(shù)據(jù)生成等功能，滿足船舶制造的需求。與傳統(tǒng)熱時效相比，消除效果相當(dāng)，能達(dá)到50%左右，滿足節(jié)能減排的要求，具有能耗極低，投資少費(fèi)用低，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動化的特點(diǎn)。同時，該方法的生產(chǎn)效率高，一般維持共振狀態(tài)約20-30分鐘就能實(shí)現(xiàn)降低均化殘余應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)件得到強(qiáng)化，尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定的目的。

2 殘余應(yīng)力的測量方法

在船舶制造的實(shí)際生產(chǎn)工作中，我們除了采用上述的殘余應(yīng)力消除方法，還會制定合理的工藝控制措施，如合理的裝焊順序、采用熱輸入量較小的焊接工藝參數(shù)等等，目的就是盡可能地降低構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力。但是對于有高精度要求的設(shè)備或武備裝置，對船體結(jié)構(gòu)時效穩(wěn)定性提出了更高的要求，除了采用降低或消除結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力的措施，還需要檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力實(shí)際大小，判定是否有效降低了殘余應(yīng)力，是否能夠保證良好的船體結(jié)構(gòu)時效穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)時效變形的情況發(fā)生，這時就需要對殘余應(yīng)力大小進(jìn)行測量和評估。測量殘余應(yīng)力的方法一般分為有損測量和無損測量兩種，目前船舶制造中經(jīng)常使用的方法有：盲孔法、X射線衍射法、超聲波法。

2.1盲孔法

盲孔法測量殘余應(yīng)力是一種有損測量方法，其原理是通過破壞構(gòu)件原本存在的應(yīng)力平衡狀態(tài)，利用精度較高的應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變花測量出平衡破壞后產(chǎn)生的釋放應(yīng)變，而釋放應(yīng)變只與材料鉆孔范圍內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，利用線彈性理論公式進(jìn)而求得殘余應(yīng)力。

盲孔法的應(yīng)力測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為完善，計(jì)算過程也可由電腦完成，方便現(xiàn)場測量人員的使用，在船舶制造中的應(yīng)用已非常成熟，尤其是可以滿足船體狹小空間處體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測量。根據(jù)被測量結(jié)構(gòu)的厚度尺寸大小，在CB/T3395-2013《殘余應(yīng)力測試方法 鉆孔應(yīng)變釋放法》中都有明確的測量程序要求，本文不再贅述。需要注意的是盲孔法測量破壞區(qū)域周邊的表面殘余應(yīng)力，需要多選擇幾個位置測量才能得到構(gòu)件整體殘余應(yīng)力情況。合適的測量位置可以先利用熱-力耦合有限元法模擬預(yù)測船體結(jié)構(gòu)焊接變形以及焊接殘余應(yīng)力的大小分布，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行選取。

盲孔法雖然稱為有損測量，但是對構(gòu)件造成的破壞較小，根據(jù)不同的盲孔大小和深度，測量后僅需適當(dāng)?shù)难a(bǔ)焊修復(fù)或者僅需打磨光順即可。

2.2X射線衍射法

X射線衍射法是一種無損測量方法，其原理是根據(jù)彈性力學(xué)和X射線晶體學(xué)理論，理想晶體在不受應(yīng)力的狀態(tài)下，晶體同一族的晶面間距是相等的，而受到內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用，其晶面間距會發(fā)生變化，并且這種變化與內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小有關(guān)。根據(jù)這一特性，可以從X射線衍射譜線位移的大小計(jì)算出殘余應(yīng)力的大小。

X射線法經(jīng)過長時間的研究和完善，現(xiàn)主要發(fā)展出X射線照相技術(shù)、X射線衍射儀法和X射線應(yīng)力儀法。其中X射線照相技術(shù)測量大構(gòu)件時誤差較大，而工業(yè)X射線衍射儀對環(huán)境要求較高，要求環(huán)境溫度在15℃-25℃間，高分辨率儀器的環(huán)境溫度要求22℃±1℃且溫度變化小于1℃/30分鐘，還要求保證儀器整潔避免灰塵聚集影響設(shè)備運(yùn)行，船舶生產(chǎn)車間難以滿足這種環(huán)境要求。X射線應(yīng)力儀是更加簡化和實(shí)用的X射線衍射裝置能夠適應(yīng)現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境，大小構(gòu)件均能測量，且方法完善，原理成熟，結(jié)果精確，十分可靠和實(shí)用。同時配合運(yùn)用云圖技術(shù)還可以清晰直觀地展現(xiàn)測量區(qū)域的應(yīng)力分布情況，工程技術(shù)人員在使用中非常方便。

另外X射線衍射法在船舶制造中還廣泛應(yīng)用于測定鋼中殘余奧氏體含量、探傷和測厚功能。在采用X射線衍射法測量時，操作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，否則會對人體造成十分嚴(yán)重的危害。

2.3超聲波法

超聲波法是一種無損測量方法，其基本原理是根據(jù)聲彈性理論，材料中有無殘余應(yīng)力，超聲波的傳播速度不同，并且傳播速度的大小與應(yīng)力的大小呈線性變化，可以測量出無應(yīng)力情況下相同材料的傳播速度和實(shí)際工程中的傳播速度，通過一系列分析，可獲得實(shí)際工程中殘余應(yīng)力的數(shù)值。超聲波測量方法大致分為兩種，一是采用橫波測量，二是采用縱波或表面波測量，由于第二種方法可以測出構(gòu)件內(nèi)部和表面的應(yīng)力，因此，大多采用第二種方法。

超聲波法可用在船舶建造的各個階段，這種方法既沒有盲孔法對結(jié)構(gòu)件的損傷，也不存在X射線衍射法對人體健康的危害，其具有穿透能力強(qiáng)、方向性好、儀器方便攜帶、結(jié)果直觀、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語

（1）船舶制造過程中，除了采用上述殘余應(yīng)力消除與測量方法，還會采用很多設(shè)計(jì)和工藝措施避免或降低殘余應(yīng)力的大小，如盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸、避免焊縫集中，焊縫間保持足夠的距離、采用合理的焊接順序、降低焊縫的拘束度、對于高強(qiáng)度鋼，采用焊前預(yù)熱，焊后保溫緩冷等方式。

（2）傳統(tǒng)的自然時效消除殘余應(yīng)力方法簡單，自然放置構(gòu)件，任其自由的發(fā)生緩慢變形釋放構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。但是該方法需要自然放置較長的時間，工藝周期太長，已不滿足當(dāng)前船舶制造周期緊的要求，同時占用了場地，也影響到生產(chǎn)資金的流動性，綜合來說該方法成本并不低。

（3）除了本文闡述的殘余應(yīng)力消除測量方法，還有很多能夠消除、測量焊接接頭處殘余應(yīng)力的新興技術(shù)，如高壓水射流法、爆炸法、溫差形變法、激光超聲檢測法，需要我們工程技術(shù)人員開拓思路，勇于創(chuàng)新，將新技術(shù)應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域。

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