焊接應(yīng)力的釋放與研究

張豐雷

一、什么是焊接應(yīng)力與釋放

焊接應(yīng)力指焊件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。它是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、形成裂紋的主要原因。焊接應(yīng)力可分為瞬態(tài)熱應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。

應(yīng)力釋放是指物體內(nèi)某一點(diǎn)的應(yīng)力由于釋放能量而降低的現(xiàn)象，確切地說(shuō)是能量釋放。應(yīng)力釋放一般有兩種情況：其一，在應(yīng)力集中的部位，如斷裂端點(diǎn)和交叉部位等處發(fā)生形變或破壞，導(dǎo)致應(yīng)力釋放；其二，并非應(yīng)力集中的地區(qū)，由于力學(xué)性質(zhì)變化或其他原因，致使強(qiáng)度降低，也會(huì)發(fā)生形變或破壞，造成應(yīng)力釋放。

焊接應(yīng)力的危害可從兩方面考慮：

一是對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響：焊接熱應(yīng)力可促使焊縫產(chǎn)生熱裂紋，殘余應(yīng)力導(dǎo)致焊后延遲裂紋的形成。

二是對(duì)結(jié)構(gòu)服役性能的影響：焊接殘余應(yīng)力可以加速疲勞破壞，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(包括硫化物引起的開(kāi)裂和堿脆破壞)，產(chǎn)生低溫脆斷破壞，促進(jìn)材料的腐蝕磨損等。壓縮殘余應(yīng)力還會(huì)造成薄板結(jié)構(gòu)或細(xì)長(zhǎng)桿件的壓曲失穩(wěn)，產(chǎn)生面外變形。

二、焊接應(yīng)力減小與釋放的研究

在焊接過(guò)程當(dāng)中，由于熱脹冷縮，焊后又沒(méi)及時(shí)處理，就會(huì)出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力，這是形成各種焊接裂紋的原因之一，應(yīng)在焊接、制造和設(shè)計(jì)時(shí)加以控制和重視。因此在焊接大型鋼結(jié)構(gòu)屋架的時(shí)候，由于我們需要對(duì)焊接應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的分析與研究，將焊接應(yīng)力所產(chǎn)生的影響降低到最小。一般來(lái)說(shuō)，焊接的方式主要分為幾種：熱時(shí)效、加載法、超聲沖擊與錘擊。以下對(duì)這幾種方式進(jìn)行探討。

1.大型鋼屋架不應(yīng)采用熱時(shí)效方法

何為時(shí)效：時(shí)效分為自然時(shí)效和熱時(shí)效。自然時(shí)效指把金屬放在自然環(huán)境中，金屬達(dá)到生產(chǎn)后的應(yīng)力消除。熱時(shí)效指在一定的溫度中，金屬的內(nèi)應(yīng)力消除。

對(duì)重要焊接構(gòu)件先進(jìn)行整體熱時(shí)效，然后在現(xiàn)場(chǎng)與其他構(gòu)件進(jìn)行組合拼焊的工藝是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造常采用的方法。在焊接很多大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物的時(shí)候，我們一般都是采用整體熱時(shí)效，然后運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)拼焊。通過(guò)熱時(shí)效的焊接方式，可以具有焊縫去氫、恢復(fù)塑性和消除應(yīng)力三重功能。在焊接過(guò)程當(dāng)中，一般認(rèn)為熱時(shí)效的消除應(yīng)力效果為40%～80%，能有效地保證焊接效果的完整。

但是對(duì)于本文論述的大型鋼結(jié)構(gòu)屋架來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)場(chǎng)采用的拼焊的方式，很容易導(dǎo)致殘余應(yīng)力依然保存在鋼的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，無(wú)法在焊接的過(guò)程中消除，加上現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法采用進(jìn)一步的熱時(shí)效的方式對(duì)屋架進(jìn)行處理，僅采用局部的熱時(shí)效無(wú)法達(dá)到消除整個(gè)殘余應(yīng)力的要求，加上局部的熱效應(yīng)在加熱的邊緣出現(xiàn)新的殘余應(yīng)力無(wú)法得到清除。因此對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采用局部熱時(shí)效的方式，建議應(yīng)用在焊接小型的鋼材上。焊接大型鋼結(jié)構(gòu)的屋架建議考慮其他補(bǔ)充、替代工藝。

2.建議采用加載法

加載法就是通過(guò)不同方式在構(gòu)件上施加一定的拉伸應(yīng)力，使焊縫及其附近產(chǎn)生拉伸塑性變形，與焊接時(shí)在焊縫及其附近所產(chǎn)生的壓縮塑性變形抵消一部分，達(dá)到松弛應(yīng)力的目的。這種方式可以在一定程度上用于大型鋼結(jié)構(gòu)屋架的焊接。由于在焊接前先將所焊接的鋼材進(jìn)行拉伸。在焊接完畢之后，鋼材能夠在恢復(fù)時(shí)抵消焊接應(yīng)力的影響，并且能夠有一定的伸縮度，提高屋頂?shù)某兄啬芰ΑＲ虼撕附哟笮弯摻Y(jié)構(gòu)屋架應(yīng)該主要采用這種方式。

3.焊接過(guò)程中補(bǔ)充使用超聲沖擊與錘擊的方法

超聲沖擊消除應(yīng)力技術(shù)由烏克蘭巴頓焊接研究所提出，近年引入我國(guó)，已在北京電視臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)立柱上進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。超聲沖擊消除應(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;從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)看：

（1）超聲沖擊對(duì)一定深度的表層有消除應(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深度層消除應(yīng)力效果可達(dá)34%～55%。

（2）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。

（3）由于沖擊工藝處理的特點(diǎn)，僅可以用于沖擊工具可達(dá)的外表面，其工作效率約為1200mm2/min。

沖擊工藝一般采用的壓應(yīng)力的方式將焊接應(yīng)力隨著振動(dòng)的方式進(jìn)行消除，這種工藝一般適用于短焊接的局部處理，如修補(bǔ)焊接口，小配件焊接方式等。焊接后容易產(chǎn)生延遲冷裂紋的情況。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。

（作者單位：南陽(yáng)市技師院校）