談焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

畢長剛

(沈陽有色冶金設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽 110003)

鋼材在焊接和冷卻的過程中，其局部形成一個(gè)很不均勻的溫度場，由于膨脹和收縮的程度和速度不同，溫度場內(nèi)各部分鋼材的變形相互制約，產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，導(dǎo)致焊件在完全冷卻后，其上仍然存在著殘余應(yīng)力，即焊接殘余應(yīng)力［1］。殘余應(yīng)力的峰值甚至可能達(dá)到或超過材料的屈服極限，當(dāng)這些焊接構(gòu)件投入使用時(shí)，它們所受載荷引起的工作應(yīng)力與其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力相疊加，將導(dǎo)致焊接構(gòu)件產(chǎn)生二次變形和焊接殘余應(yīng)力的重新分布，使得鋼材在保證穩(wěn)定性能和其剛度方面的能力下降［2］。焊接構(gòu)件的焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的問題和鋼材的剛性問題的影響因素在于焊接時(shí)的溫度、焊接時(shí)所處的環(huán)境及在焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，在這三方面因素的共同作用下產(chǎn)生的疲勞強(qiáng)度問題，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抵抗脆斷的性能、腐蝕開裂的性能及其在高溫下的蠕變開裂的性能產(chǎn)生降低的效果。因此，在焊接過程中我們要對(duì)可能產(chǎn)生的，影響結(jié)構(gòu)承載力的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行一定的控制和消除［3］。

1 焊接殘余應(yīng)力的概念

焊件在焊接過程中，熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、加工應(yīng)力等超過屈服極限(Yield strength)，以致冷卻后焊件中留有未能消除的應(yīng)力，這樣，焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應(yīng)力稱為殘余焊接應(yīng)力，焊接應(yīng)力包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應(yīng)力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力［4］。

焊接過程中，焊縫區(qū)被急速的加熱，并局部熔化，焊材受熱膨脹，焊接熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于周圍溫度較低區(qū)域的約束，隨著溫度的升高，受熱區(qū)域的屈服極限下降，有部分的焊接熱應(yīng)力超出了常溫下的屈服強(qiáng)度，這樣，熱壓縮的焊縫區(qū)域形成，經(jīng)過冷卻降溫和附件的區(qū)域相比，減小、縮短或者變窄，所以，此區(qū)域就以殘余拉應(yīng)力為主，附近區(qū)域就以殘余壓應(yīng)力為主，而降溫冷卻過程中由于纖維組織而產(chǎn)生的體積變化發(fā)生在溫度較低的區(qū)域，而且材料有較高的屈服極限，這樣該區(qū)域就會(huì)以殘余壓應(yīng)力為主，而且它的附近區(qū)域會(huì)以殘余拉應(yīng)力為主。

產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的情況可以應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法則來判斷:熱應(yīng)力為最后冷卻的區(qū)域，焊接拉伸應(yīng)力為主，焊接壓應(yīng)力是在相變的應(yīng)力為主時(shí)的應(yīng)力。

2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其影響因素

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中的不均勻加熱所引起的，焊應(yīng)力按照其發(fā)生的來源分為三種情況:直接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，是不均勻加熱和冷卻導(dǎo)致的，決定在于不均勻加熱和冷卻的溫度梯度，是焊接殘余用應(yīng)力產(chǎn)生的關(guān)鍵;間接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，是焊接過程之前的加工狀況導(dǎo)致的，焊件若經(jīng)歷過軋剎或拉拔時(shí)，都會(huì)使之具有此類殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力在某種場合下會(huì)加到焊接殘余應(yīng)力上去，也往往會(huì)在焊后的變形中產(chǎn)生附加性影響，而且外界約束對(duì)于焊件產(chǎn)生的附加應(yīng)力也應(yīng)該歸于此類型應(yīng)力;組織變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，相變是比熱容變化產(chǎn)生組織變化導(dǎo)致的，盡管因材料中碳的含量不同而異，但一般情況下這種影響必須要加以考慮的是發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度［5］。

焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一個(gè)隨著焊接過程的進(jìn)行而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程，影響其產(chǎn)生的因素主要有以下兩種:

1)隨溫度變化的材料熱物理性能和力學(xué)性能影響。影響焊接溫度場分布的主要物理參數(shù)，即熱擴(kuò)散率。決定焊接熱應(yīng)力應(yīng)變的重要物理特性，即隨溫度變化的線膨脹系數(shù)。

2)選取不同的焊接熱源模型的影響。熱源的輸入是焊接分析和焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的決定性的因素，由于選取不同的熱源模型會(huì)造成焊接溫度場計(jì)算結(jié)果中焊接溫度場分布的不同，從而造成焊接殘余應(yīng)力分布的不同。

3 焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響［6-9］

焊接過程中產(chǎn)生的二次變形和應(yīng)力重分布，是由于焊接殘余應(yīng)力和工作荷載疊加的結(jié)果，在溫度和介質(zhì)的共同影響下，殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能造成以下的影響:

1)焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響。

當(dāng)結(jié)構(gòu)在承載后表現(xiàn)出足夠的塑性變形能力，即隨著荷載的增加，達(dá)到屈服強(qiáng)度的區(qū)域應(yīng)力不再增加，未達(dá)到屈服強(qiáng)度的區(qū)域應(yīng)力繼續(xù)增加，直到整個(gè)材料表面都達(dá)到屈服強(qiáng)度。這種情況下焊接殘余應(yīng)力將對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度不產(chǎn)生影響。如果在相反的情況下，結(jié)構(gòu)在承載后沒有表現(xiàn)出足夠的塑性變形的能力，那么焊接殘余應(yīng)力將對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

2)焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響。

在荷載的循環(huán)作用過程中，如果存在焊接殘余應(yīng)力，則會(huì)使應(yīng)力循環(huán)的整個(gè)過程偏移一個(gè)值，使得其平均值發(fā)生變化，而幅值不發(fā)生變化，而我們知道，平均值和極限幅值之間為反比關(guān)系。所以，拉伸焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位，會(huì)造成疲勞強(qiáng)度的降低，焊接殘余應(yīng)力的影響隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增加而提高。

3)焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)剛度的影響。

由于焊接結(jié)構(gòu)中存在的焊接殘余應(yīng)力和外載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生疊加，使得材料達(dá)到其屈服點(diǎn)，而材料的塑性性能不能充分的表現(xiàn)出來，就造成了局部應(yīng)力的不斷增加，達(dá)到屈服極限，結(jié)構(gòu)失去繼續(xù)承載的能力，這樣材料結(jié)構(gòu)有效的承載面積減小，造成結(jié)構(gòu)的剛度也減小。實(shí)際工程中的焊接結(jié)構(gòu)連接所用到的焊縫和火焰校正都會(huì)在很大范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力，即使焊接殘余應(yīng)力僅僅出現(xiàn)在沿構(gòu)件長度方向很小范圍內(nèi)，但其對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響不能忽視，當(dāng)焊接梁采用頻繁的火焰校正時(shí)，可能在加載后產(chǎn)生較大的變形，而在卸載后表現(xiàn)出回彈性能的不足。

4)焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接構(gòu)件穩(wěn)定性的影響。

在焊接過程中由于焊接殘余應(yīng)力和外荷載的疊加效應(yīng)，造成構(gòu)件的二次變形和應(yīng)力的重分布，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能下降，尤其在和介質(zhì)溫度共同影響下，更會(huì)給焊接結(jié)構(gòu)的承載能力帶來嚴(yán)重的影響。

5)焊接殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響。

出現(xiàn)在一定的介質(zhì)材料組合中，拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生裂縫稱為應(yīng)力腐蝕開裂。拉應(yīng)力的存在使得金屬表面的腐蝕鈍化膜破壞加大，而殘余拉應(yīng)力和拉應(yīng)力產(chǎn)生疊加的效果，使得拉應(yīng)力加大，腐蝕斷裂加速。

4 減少焊接殘余應(yīng)力的工藝措施［1，2，10］

1)對(duì)變形收縮量進(jìn)行預(yù)留。通過已有的計(jì)算理論和工程中的經(jīng)驗(yàn)，事先在焊接準(zhǔn)備材料和加工時(shí)留出收縮余量，使得焊件在焊接后滿足所需的尺寸和形狀。

2)反變形法。通過已有的計(jì)算理論和工程中的經(jīng)驗(yàn)，事先判斷焊接構(gòu)件焊后變形的大小和方向，而后采取一個(gè)相反變形和大小相同的預(yù)置變形再焊接裝配。

3)剛性固定法。在焊接過程中把焊接構(gòu)件采用剛性固定，減少其發(fā)生變形，等到焊接冷卻結(jié)束后，再去掉剛性固定，但是應(yīng)用此方法會(huì)大大的增大焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，僅應(yīng)用于塑性較好的低碳鋼。

4)焊接順序的合理選擇。在焊接構(gòu)件中，如存在較多的焊縫，為了使得焊縫可以自由的收縮，應(yīng)該從錯(cuò)開的短焊縫開始施焊，然后焊接通長的焊縫(對(duì)較長的焊縫可以采用逐步焊接和跳躍焊接)，不要在焊縫的交界處交匯，以免產(chǎn)生裂紋。

5)錘擊焊縫法。為了使得金屬在焊接后產(chǎn)生塑性延伸變形，可以用圓頭的小錘頭在焊縫冷卻的過程中均勻迅速錘擊焊縫，使得一部分的焊接產(chǎn)生的變形得到抵消，達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形的目的。

6)預(yù)熱焊前和緩冷焊后。應(yīng)用焊接之前預(yù)熱構(gòu)件的方法來減少焊接過程中焊縫區(qū)和其他區(qū)域的溫度差異，而在焊后減慢焊縫區(qū)域的冷卻速率的方法，使得焊縫的冷卻速率和其他區(qū)域同步，以此來達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形的目的。

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