淺析消除焊接殘余應(yīng)力的焊接措施

杜鴻 王紅慶

摘要：焊接應(yīng)力即是在焊接結(jié)構(gòu)時(shí)由于焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，它可以依據(jù)產(chǎn)生作用的時(shí)間被分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。所謂焊接瞬時(shí)應(yīng)力是指在焊接的過(guò)程中某一個(gè)焊接瞬時(shí)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，它是會(huì)跟著時(shí)間的變化而發(fā)生變化的，而在焊接之后，某一個(gè)受到焊接的焊件內(nèi)還殘留的焊接應(yīng)力被稱為焊接殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力;應(yīng)力變形;焊接措施

在每次焊接工作之前，一定要將原件的性質(zhì)以及能承受的焊接條件進(jìn)行深度的考察、研究，合理、科學(xué)的制定焊接技術(shù)的安排。通過(guò)已經(jīng)考察好的東西，選擇合理、有效的焊接工藝程序，采取有效的措施，最終得到一個(gè)較好的焊接結(jié)果。在達(dá)到相關(guān)焊接質(zhì)量條件的同時(shí)，也在不斷的提高焊接技術(shù)，對(duì)以后的焊接技術(shù)領(lǐng)域做好進(jìn)一步的鋪墊。

1 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

1.1 塑性壓縮造成的縱向殘余應(yīng)力

在焊接的過(guò)程中，由于溫度上的差距，焊縫及其周圍都會(huì)受到因熱膨脹和周圍溫度較低的金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。當(dāng)焊接完成之后，溫度驟減，母性材料就會(huì)制約著焊縫和近縫區(qū)域之間的收縮，這就在很大程度上導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的存在。并且殘余應(yīng)力的范圍將會(huì)和高溫環(huán)境下造成的塑性范圍相一致，彈性拉伸區(qū)域和殘余拉應(yīng)力也是相對(duì)應(yīng)的。從這些都可以看出來(lái)，塑性壓縮就是造成焊接過(guò)程中縱向殘余應(yīng)力的主要原因。

1.2 塑性壓縮的應(yīng)變導(dǎo)致的橫向殘余應(yīng)力

塑性壓縮的應(yīng)變，除了能夠說(shuō)成是造成縱向殘余應(yīng)力的主要原因，同時(shí)也能理解為造成橫向殘余應(yīng)力的原因之一，但是造成橫向殘余應(yīng)力的主要原因是母材的收縮。當(dāng)對(duì)母材進(jìn)行焊接時(shí)，母材會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，并且當(dāng)焊接縫的金屬材料逐漸形成固體時(shí)，膨脹中的母材必定會(huì)受到壓縮，這種塑性壓縮是橫向收縮中的重要的一部分，焊縫自身那一小部分收縮僅僅只占到橫向收縮的十分之一左右。主要的橫向收縮那部分存在于焊接縫沿著焊縫軸線進(jìn)行切割后的中心區(qū)域，那才是拉應(yīng)力中的橫向應(yīng)力。

2 降低殘余應(yīng)力的對(duì)策

2.1 科學(xué)、合理的編排焊接順序

這樣做的主要原因就是要使得焊接時(shí)盡可能的讓焊縫自由的收縮，減少更多的外界影響因素。在這種合理的順序下，首先就是要焊一處收縮量相對(duì)比較大的焊接縫，保證焊接縫在自身結(jié)構(gòu)總體剛性相對(duì)較弱的情況下能夠自由的收縮，減少其他物質(zhì)的限制。接下來(lái)就是焊接一處互相錯(cuò)開、互不影響的焊接縫，最后就是焊接直通的焊接縫。上面說(shuō)的只是一般簡(jiǎn)單的焊接，如果遇到相對(duì)較麻煩的焊接，比如交叉焊縫接頭，那就要按照一定的順序來(lái)進(jìn)行焊接。按照受力的大小進(jìn)行先后焊接，受力比較大的先進(jìn)行焊接，這樣合理的安排焊接順序，可以盡可能地避免各處焊縫受力不均的現(xiàn)象出現(xiàn)，確保了焊縫的科學(xué)、合理、有效的分布。

2.2 采用預(yù)熱緩冷法

采用該種方法主要就是為了減小焊接應(yīng)力，因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，焊件自身會(huì)形成較大的溫差，溫差越大，焊接的應(yīng)力就會(huì)越大。采用預(yù)熱緩冷的方法，能夠一定程度上減小焊件的溫差，從而減小焊接的應(yīng)力。采用這種方法，一般情況下都會(huì)在焊接之前將焊件放入火爐中進(jìn)行加熱，在焊接的時(shí)候，要防止焊件迅速降溫，進(jìn)而降低焊縫和焊件其他部位之間的溫差，讓兩者之間膨脹系數(shù)相差不大，降低焊件的應(yīng)力。倘若不能夠?qū)⒄麄€(gè)焊件進(jìn)行預(yù)熱，也可以讓焊縫附近預(yù)熱，一樣不會(huì)影響該種方法的效果。但是，在預(yù)熱的過(guò)程中，一定要保證均勻預(yù)熱，溫度穩(wěn)定上升。在焊接完成之后，如果焊接部位的溫度沒(méi)達(dá)到600℃，要將其加熱到那個(gè)溫度，在進(jìn)行緩冷的步驟。

2.3 錘擊法

在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后的效果顯示，焊接后的焊件經(jīng)過(guò)一定程度上的錘擊之后，焊縫附近殘余的應(yīng)力會(huì)降低。在那些離焊縫比較遠(yuǎn)的部位，經(jīng)過(guò)錘擊后，殘余的應(yīng)力依然存在。但是，如果沖擊能量不斷地增加，那么焊件的殘余應(yīng)力會(huì)不斷地減小，這種減小到了一定的程度時(shí)，也會(huì)減緩殘余應(yīng)力減小的速度?？傊N擊法對(duì)于減小殘余應(yīng)力是一種確實(shí)可行而且效果明顯的方法，值得推廣。

3 消除殘余應(yīng)力的方法

3.1VSR振動(dòng)時(shí)效法

振動(dòng)時(shí)效的原理就是給被時(shí)效處理的工件施加一個(gè)與其固有諧振頻率相一致的周期激振力，使其產(chǎn)生共振，從而使工件獲得一定的振動(dòng)能量，使工件內(nèi)部產(chǎn)生微觀的塑性變形，從而使造成殘余應(yīng)力的歪曲晶格被漸漸地恢復(fù)平衡狀態(tài)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸滑移并重新纏繞釘扎，使得殘余應(yīng)力得以被消除和均化。振動(dòng)時(shí)效法具有周期短、效率高、無(wú)污染的特點(diǎn)，且不受工件尺寸、形狀、重量等限制，已經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐證明，對(duì)消除工件應(yīng)力是有明顯效果的。

優(yōu)點(diǎn)：降低工件內(nèi)殘余應(yīng)力（峰值）30%-80%，與傳統(tǒng)的熱時(shí)效（TSR）相當(dāng)，工件無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，無(wú)需清理氧化皮，減少了輔助工時(shí)。

與TSR（熱時(shí)效）相比提高了工件抗載荷變形能力，VSR工藝的應(yīng)用使工件抗靜載變形能力提高30%以上，抗動(dòng)載變形能力提高1-3倍多。是目前超大型結(jié)構(gòu)件和多種材料組合的結(jié)構(gòu)件唯一時(shí)效方法，VSR還適用于二次時(shí)效（一般在半精加工后），是唯一不受場(chǎng)地、環(huán)境、工序和工件形狀限制的處理方法。運(yùn)行費(fèi)用低，VSR時(shí)效振動(dòng)工藝的耗能僅為TSR熱時(shí)效的1-2%，需人工0.1-0.2工時(shí)/噸，可有效降低工程施工成本。

缺點(diǎn)：對(duì)殘余應(yīng)力的消減更多意義上是“削峰平谷”，對(duì)內(nèi)部的平均殘余應(yīng)力并沒(méi)有過(guò)多消減。

VSR時(shí)效振動(dòng)工藝設(shè)備：主要由激振器，電腦控制器，傳感器和打印輸出等幾部分組成。設(shè)備是將帶有偏心輪的激振器牢固地夾持在被振工件上，激振器電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生沿垂直方向的周期激振力，使被振工件在其固有頻率下振動(dòng)20至30分鐘，電腦控制器可使系統(tǒng)進(jìn)入智能工作程序，即自動(dòng)掃頻，自動(dòng)選擇工藝參數(shù)，自動(dòng)時(shí)效處理，結(jié)束后打印工藝參數(shù)和繪制工藝曲線。

3.2超聲沖擊與錘擊

超聲沖擊（UIT）的基本原理就是利用大功率超聲波推動(dòng)工具以每秒二萬(wàn)次以上的頻率沖擊金屬物體表面，由于超聲波的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表面產(chǎn)生較大的壓塑變形，同時(shí)超聲沖擊波改變了原有的應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，并使被沖擊部位得以強(qiáng)化。此種方法對(duì)消除應(yīng)力極為有效，經(jīng)對(duì)650*650*80箱形柱進(jìn)行超聲波震動(dòng)消應(yīng)力測(cè)試，焊接殘余應(yīng)力的消除率達(dá)75%以上。

超聲沖擊消應(yīng)力工藝的特點(diǎn)是：在超聲頻率（≥16KHz）下應(yīng)用束狀沖頭，在對(duì)焊趾和焊縫表面進(jìn)行沖擊;試驗(yàn)表明：超聲沖擊對(duì)一定深度的表層有消應(yīng)力的效果，在采用對(duì)焊道全覆蓋沖擊時(shí)，被沖擊的表面會(huì)形成壓應(yīng)力，對(duì)2～4mm深度層消應(yīng)力效果可達(dá)34～55%。采用焊趾沖擊法，可以快速修復(fù)焊趾的缺陷，降低應(yīng)力集中。并伴隨其壓應(yīng)力區(qū)的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應(yīng)力，下降率達(dá)19%，對(duì)提

高接頭的疲勞壽命有明顯作用。

沖擊工藝是以點(diǎn)接觸、壓應(yīng)力屈服為主要特征的“面效應(yīng)”型消應(yīng)力工藝，伴隨一定的振動(dòng)時(shí)效效果，比較適合高拘束狀態(tài)短焊縫的局部處理。如局部的焊接修復(fù)、大構(gòu)件的組配焊接以及在厚壁結(jié)構(gòu)上焊小構(gòu)件，其焊縫處承受較大的拘束應(yīng)力，且焊后易產(chǎn)生延遲冷裂紋等情況?？勺鳛槠渌麘?yīng)力工藝的補(bǔ)充工藝。

4結(jié)語(yǔ)

總而言之，經(jīng)過(guò)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的研究我們可以發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力對(duì)于焊件的剛度、焊件的受壓桿件穩(wěn)定性、靜載強(qiáng)度、焊件的疲勞強(qiáng)度都產(chǎn)生影響。為了提高工程的質(zhì)量，我們必須要采取相應(yīng)的措施來(lái)將殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響降到最低，避免焊件發(fā)生變形或者斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高焊接質(zhì)量和焊接水平。

參考文獻(xiàn)：

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