高強(qiáng)度鋼焊接腔體的殘余應(yīng)力消除方法

張 杰，王國近

高強(qiáng)度鋼焊接腔體的殘余應(yīng)力消除方法

張 杰，王國近

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

固定船用動(dòng)力蓄電池的高強(qiáng)度鋼焊接腔體對(duì)成型尺寸精度要求較高，但焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對(duì)焊接腔體的尺寸精度、使用壽命等產(chǎn)生較大的影響。本文從殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、測(cè)定、消除等方面進(jìn)行了研究，為高強(qiáng)度焊接腔體在實(shí)際生產(chǎn)中殘余應(yīng)力的消除提供參考。

高強(qiáng)度鋼 焊接腔體 殘余應(yīng)力消除 船用動(dòng)力蓄電池

0 引言

為了保證船用動(dòng)力蓄電池電壓的穩(wěn)定性及持久性，蓄電池成組存放于船艙柜體，而柜體以“井”字焊接方式，采用高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼焊接而成。每個(gè)柜體則有若干腔體，蓄電池就位其中。柜體的焊接成形，要求尺寸精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及疲勞壽命長等。

蓄電池柜腔體加工制造過程是通過焊槍焊條對(duì)高強(qiáng)度鋼進(jìn)行局部加熱，使兩鋼板融合一起從而完成腔體的成型。在對(duì)腔體焊接過程中，因焊槍的加熱及鋼板的自冷，焊接位置存在熔化、凝固的物理過程，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

1 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

1.1 殘余應(yīng)力的定義及分類

殘余應(yīng)力是在消除工件外力或者不均勻的溫度場等作用后仍然存在于工件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，它屬于固有應(yīng)力的一種存在狀態(tài)。

在工件中的殘余應(yīng)力包括：1）宏觀范疇下的殘余應(yīng)力，主要是在工件中存在不均勻塑性變形造成的殘余應(yīng)力，并在物體內(nèi)部處于平衡狀態(tài)，若這種平衡被打破會(huì)導(dǎo)致物體變形；2）微觀范疇下的殘余應(yīng)力，存在于工件微觀內(nèi)部組織（晶粒及亞晶粒），因微觀組織間相互間的物理作用而產(chǎn)生了不均勻的變形從而造成微觀殘余應(yīng)力，當(dāng)微觀殘余應(yīng)力在工件內(nèi)累積到一定值時(shí)，會(huì)對(duì)工件的宏觀尺寸造成影響；3）晶體內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)范疇下殘余應(yīng)力，存在于工件的晶粒亞結(jié)構(gòu)組織，在晶粒的亞結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)該應(yīng)力會(huì)保持相對(duì)平衡，即使被破壞也不會(huì)對(duì)宏觀尺寸造成影響。

1.2 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因及影響

殘余應(yīng)力主要在對(duì)工件進(jìn)行物理加工過程中產(chǎn)生，而該過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大部分對(duì)工件的宏觀尺寸存在影響[2]。高強(qiáng)度鋼焊接腔體在加工成型過程中主要是采用焊接技術(shù)，在焊接時(shí)會(huì)對(duì)鋼板進(jìn)行急速加熱，焊接完成后鋼板會(huì)快速冷卻。因而在焊縫及遠(yuǎn)離焊縫處存在冷熱不均的溫度場，而溫度場會(huì)使腔體產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

高強(qiáng)度鋼焊接腔體如圖1是由高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，對(duì)成型尺寸精度要求較高，為了保證各腔體的尺寸，在焊接過程中常采用剛性的約束方式控制焊接變形來保證焊接后的尺寸。在施加剛性約束時(shí)，焊接腔體的焊接部分會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂、腔體的強(qiáng)度及韌性下降等方面的危害，從而會(huì)影響焊接腔體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低腔體的使用壽命。因此，對(duì)高強(qiáng)度鋼焊接腔體的殘余應(yīng)力消除是腔體焊接過程中一項(xiàng)重要內(nèi)容。

圖1 高強(qiáng)度鋼焊接腔體

2 焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定

在對(duì)殘余應(yīng)力的長期研究中，根據(jù)殘余應(yīng)力的形成原理逐漸形成兩種有效且方便的應(yīng)力測(cè)試方法：機(jī)械法和物理法[3]。

機(jī)械法主要是通過材料去除的手段將殘余應(yīng)力釋放，通過貼應(yīng)變片等方式測(cè)量應(yīng)變，由彈性力學(xué)計(jì)算原理得出殘余應(yīng)力，機(jī)械法主要是測(cè)量較大尺寸范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力平均值；物理法主要是通過測(cè)量材料中某項(xiàng)物理參數(shù)隨殘余應(yīng)力的變化來測(cè)量殘余應(yīng)力值，物理法主要是測(cè)量小范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力。機(jī)械法因其測(cè)量簡單，測(cè)量結(jié)果可靠，因此在工業(yè)上應(yīng)用較廣泛。

對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量主要采用機(jī)械測(cè)量法中的壓痕法進(jìn)行測(cè)量如圖2。壓痕法的基本原理是以電阻應(yīng)變花作為測(cè)量用的敏感單元，在外力的作用下機(jī)械使敏感單元形成變量，應(yīng)變儀讀取變量值來進(jìn)行應(yīng)變計(jì)算求出殘余應(yīng)力。

圖2 壓痕法測(cè)量示意圖

高強(qiáng)度鋼焊接腔體的殘余應(yīng)力測(cè)量主要包括以下幾方面：測(cè)量位置的確定及表面處理；應(yīng)力測(cè)量準(zhǔn)備；應(yīng)變片壓痕的產(chǎn)生；殘余應(yīng)力計(jì)算[4～5]。

2.1 測(cè)量位置的確定及表面處理

高強(qiáng)度鋼焊接腔體存在殘余應(yīng)力的位置主要是在交叉焊縫、加強(qiáng)塊焊接等位置，根據(jù)工件尺寸及焊接焊縫等因素，在剛強(qiáng)度焊接腔體上選擇若干殘余應(yīng)力測(cè)量位置，如圖3所示。

在選定位置處需要粘貼應(yīng)變片并對(duì)其制造壓痕，因此需要對(duì)選定位置的表面進(jìn)行處理，具體步驟如下：

1）測(cè)量表面初處理：對(duì)剛強(qiáng)度焊接腔體上殘余應(yīng)力測(cè)量位置的表面焊渣、焊瘤、污漬、銹跡等進(jìn)行處理，保證測(cè)量表面平整；

2）測(cè)量表面再處理：對(duì)經(jīng)過初處理的表面進(jìn)行表面拋光；

3）測(cè)量表面精處理：上述對(duì)測(cè)量表面的初處理、再處理，主要是通過機(jī)械方式進(jìn)行，為減少因機(jī)械打磨等引入附件應(yīng)力，需要對(duì)測(cè)量表面采用100～200目的砂布在測(cè)量表面用十字交叉的方式在垂直的方向上來回進(jìn)行打磨。

圖3 測(cè)量位置標(biāo)記

2.2 應(yīng)力測(cè)量準(zhǔn)備

對(duì)初處理、再處理及精處理的測(cè)量平面進(jìn)行應(yīng)變片粘貼。首先對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行均勻涂膠，膠厚度要足夠小；接著將應(yīng)變片粘貼到處理后的表面上，使其固化足夠時(shí)間后；然后在離壓痕點(diǎn)1 mm～2 mm的附近用刀片劃斷應(yīng)變片如圖4；清理劃痕及應(yīng)變片周圍膠漬及污漬。

圖4 應(yīng)變片切割線

2.3 應(yīng)變片壓痕的產(chǎn)生

應(yīng)變片在粘貼完成后，根據(jù)粘貼應(yīng)變片工件的表面問題，保證應(yīng)變片粘貼固化時(shí)間在一小時(shí)至四小時(shí)；接著用三爪固定裝置在顯微鏡下調(diào)整中心點(diǎn)重合；然后使用球形壓頭在應(yīng)變片上進(jìn)行瞬時(shí)壓力加載使其產(chǎn)生壓痕，其中產(chǎn)生的壓痕與應(yīng)變片的對(duì)中偏差要小于±0.05 mm。

2.4 殘余應(yīng)力計(jì)算

在壓頭對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行沖擊產(chǎn)生壓痕后，應(yīng)變片會(huì)進(jìn)行形變從而產(chǎn)生應(yīng)變，通過儀器記錄運(yùn)算出在壓痕產(chǎn)生前后的應(yīng)變?cè)隽?；根?jù)下述中的公式（1）計(jì)算得出殘余應(yīng)變，由胡可定律計(jì)算殘余應(yīng)力。

3 焊接殘余應(yīng)力的消除方法

焊接腔體的焊接材料強(qiáng)度高，焊接精度要求高，在焊接過程中需通過專用焊接工裝保證焊接精度及質(zhì)量，因此在焊接腔體的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)焊接腔體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生較大的影響，因此在焊接過程中或焊接完成后需要對(duì)焊接腔體進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力處理。

3.1 殘余應(yīng)力消除理論

根據(jù)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，在對(duì)殘余應(yīng)力的消除主要通過加熱法和施加外力法來進(jìn)行消除。加熱法是對(duì)工件進(jìn)行整體加熱，通過降低焊接工件的屈服強(qiáng)度，當(dāng)工件材料自身屈服強(qiáng)度小于殘余應(yīng)力時(shí)，工件材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)從而降低殘余應(yīng)力；施加外力法是對(duì)工件施加機(jī)械外力，當(dāng)工件材料自身屈服強(qiáng)度小于施加外力與殘余應(yīng)力累加和時(shí)，工件材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)從而降低殘余應(yīng)力。

3.2 殘余應(yīng)力消除方法分析

在對(duì)殘余應(yīng)力的消除理論分析上，消除殘余應(yīng)力的方法也分為幾大類：焊后熱處理法、超聲沖擊法、機(jī)械拉伸法、振動(dòng)時(shí)效法等。

焊后熱處理法是在焊接腔體整體完成后，對(duì)整個(gè)焊接零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，從而降低焊接腔體材料的屈服強(qiáng)度，當(dāng)焊接腔體在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的降低，該種方式主要對(duì)小件零件；

超聲沖擊法是用超聲沖擊設(shè)備高速?zèng)_擊焊縫及近焊縫區(qū)，使得該區(qū)域內(nèi)的金屬發(fā)生塑性延展，材料的塑性延展能夠使焊接過程中產(chǎn)生的變形減少，使得殘余應(yīng)力降低并重新分布，該種方式主要對(duì)焊縫較少零件；

機(jī)械拉伸法是使用專業(yè)設(shè)備對(duì)焊接工件進(jìn)行橫向機(jī)械拉伸，在對(duì)焊接工件進(jìn)行拉伸時(shí)會(huì)使其產(chǎn)生塑性變形，工件的塑性變形會(huì)對(duì)焊接時(shí)的壓縮塑性變形產(chǎn)生一定的抵消，使得殘余應(yīng)力下降并重新分布，該種方式主要對(duì)焊縫方向統(tǒng)一的零件；

振動(dòng)時(shí)效是在工件上施加一個(gè)周期式外在重復(fù)載荷，殘余應(yīng)力與外在載荷會(huì)進(jìn)行疊加，疊加值大于工件屈服極限時(shí)使得殘余應(yīng)力得到釋放，從而完成殘余應(yīng)力的消除[6]，該方式對(duì)尺寸大，焊縫多且焊縫方向不唯一的零件。

3.3 殘余應(yīng)力消除方法選擇

高強(qiáng)度焊接腔體因其特性要求，具有外形尺寸大，焊接位置及焊縫較多。因此焊后熱處理法、超聲沖擊法、機(jī)械拉伸法在對(duì)高強(qiáng)度焊接腔體殘余應(yīng)力消除方面無法很好滿足要求。故在高強(qiáng)度腔體殘余應(yīng)力消除時(shí)采用振動(dòng)時(shí)效法。

3.4 振動(dòng)時(shí)效處理

振動(dòng)時(shí)效方法是將待測(cè)工件放置在平臺(tái)上，激振器通過夾具夾持在待測(cè)工件上，通過激振器的振動(dòng)帶動(dòng)待測(cè)工件進(jìn)行高頻共振從而達(dá)到待測(cè)工件的殘余應(yīng)力消除。振動(dòng)時(shí)效裝置主要包括高頻激振器、卡具、控制器、加速度傳感器、減振膠墊、電纜等。振動(dòng)時(shí)效處理的工藝過程包括振前準(zhǔn)備、工藝參數(shù)的確定、殘余應(yīng)力處理、處理結(jié)果評(píng)定[7]。

1）振前準(zhǔn)備

對(duì)于高強(qiáng)度鋼焊接腔體具有的焊接尺寸大、焊縫多、材料強(qiáng)度高等特點(diǎn)，殘余應(yīng)力主要存在焊縫較多且角焊的位置。因此，在對(duì)高強(qiáng)度腔體殘余應(yīng)力測(cè)量時(shí)，將激振器固定安裝在焊接腔體的加強(qiáng)筋與外框焊接處，加速傳感器應(yīng)在遠(yuǎn)離激振器的加強(qiáng)筋與外框焊接處。

2）工藝參數(shù)的確定

①偏心距測(cè)定：初始設(shè)置偏心距為零，對(duì)偏心距以等間隔進(jìn)行逐次遞增，待工件出現(xiàn)共振時(shí)完成偏心距的測(cè)定；

②共振頻率確定：在測(cè)定的偏心距下在工件上進(jìn)行全程掃頻（最大轉(zhuǎn)速），確定最大轉(zhuǎn)速下的共振頻率；

③共振頻率處參數(shù)：調(diào)整激振器轉(zhuǎn)速到共振頻率處，記錄對(duì)應(yīng)的振型、節(jié)線及振型有效區(qū)；

④傳感器調(diào)整：在工件上選擇剛性強(qiáng)且振幅較大處，將加速度傳感器固定在該處，調(diào)整傳感器的測(cè)試方向至振型有效區(qū)所在平面的垂直平面；

⑤激振器調(diào)整：在工件上選擇剛性強(qiáng)且振幅較大處，將加速度傳感器固定在該處，調(diào)整激振器的測(cè)試方向至振型有效區(qū)所在平面的平行平面；

⑥工件激振：在有效頻率下對(duì)工件進(jìn)行激振。

3）殘余應(yīng)力處理

①首先在準(zhǔn)備時(shí)效的有效頻率周圍局部掃頻，輸出振前局部掃頻曲線；

②接著在時(shí)效頻率的亞共振區(qū)選擇時(shí)效頻率振動(dòng)工件；

③然后在時(shí)效頻率下振動(dòng)工件，輸出時(shí)效曲線；

④最后效曲線a-t或n-t曲線出現(xiàn)以下情況后，振動(dòng)時(shí)間再持續(xù)旋轉(zhuǎn)3 min后完成振動(dòng)時(shí)效處理。

（1）a-t曲線上升后變平；

（2）a-t曲線上升后下降然后變平；

（3）n-t曲線下降后變平

4）處理結(jié)果評(píng)定

振動(dòng)時(shí)效的效果主要通過參數(shù)曲線、工件尺寸穩(wěn)定性檢測(cè)、殘余應(yīng)力檢測(cè)等方法進(jìn)行評(píng)定。

參數(shù)曲線：通過振動(dòng)時(shí)效來進(jìn)行殘余應(yīng)力消除的全過程中產(chǎn)生的時(shí)效曲線（a-t曲線）或跟蹤曲線（n-t曲線），可反映出消除應(yīng)力的效果；

工件尺寸穩(wěn)定性檢測(cè)：對(duì)振動(dòng)時(shí)效前后工件同一尺寸精度進(jìn)行檢測(cè)；

殘余應(yīng)力檢測(cè)：結(jié)合上文中對(duì)殘余應(yīng)力的計(jì)算方法，對(duì)高強(qiáng)度腔體的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢查。

4 結(jié)論

本文研究了殘余應(yīng)力的分類，高強(qiáng)度鋼焊接腔體的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因及影響，殘余應(yīng)力的測(cè)定，及殘余應(yīng)力的消除。為高強(qiáng)度鋼焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定及消除積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 黃華強(qiáng), 李柏松. 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因分析及消除方法[J] . 工藝與技術(shù), 2018.

[2] 王佳, 劉玉擎. 高強(qiáng)度鋼加勁板焊接殘余應(yīng)力測(cè)試及分析[J] . 工程力學(xué), 2016.

[3] 梁昇. 表層殘余應(yīng)力及其層厚的壓痕測(cè)試方法[論文]. 鄭州大學(xué), 2019.

[4] GB/T24179-2009. 金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定壓痕應(yīng)變法. [S]. 2009.

[5] GB/T 24179-2009, 金屬材料, 殘余應(yīng)力測(cè)定, 壓痕應(yīng)變法[S]. 2009.

[6] 宋天民. 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除（第二版）[M].北京: 中國石化出版社, 2010.

[7] GB/T 25712-2010, 振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法[S]. 2010.

Residual Stress Relief Method for Welded Cavities of High Strength Steel

Zhang Jie, Wang Guojin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U665

A

1003-4862（2021）11-0020-04

2021-04-01

張杰(1991-)，男，工程師。研究方向：機(jī)械制造。E-mail: 1601286431@qq.com