焊接應(yīng)力對(duì)焊縫金屬性能的影響

王鋒　汪圣鋒

【摘要】綜述了焊接應(yīng)力的形成條件、影響其分布的主要因素，分析了焊接應(yīng)力對(duì)焊縫金屬性能的影響，對(duì)今后改善焊接應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵字】焊接 應(yīng)力 形成條件 工作性能

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU758.11 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）04—0458-01

前言

焊接是低合金高強(qiáng)度鋼能否實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值的最重要的加工手段。我國(guó)正處于高速、持續(xù)的發(fā)展時(shí)期，油氣管線、儲(chǔ)備原油球罐、大型公路橋梁、船舶軍艦等大型結(jié)構(gòu)、設(shè)備、設(shè)施等的建設(shè)都需要用到焊接技術(shù)。

焊接過(guò)程不均勻的加熱和冷卻使得焊縫及其附近金屬產(chǎn)生非均勻的膨脹和收縮，從而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接應(yīng)力在一定的條件下會(huì)導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的斷裂、對(duì)形狀尺寸精度和疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生極為不利的影響。由此對(duì)焊接應(yīng)力的研究是焊接工藝的一個(gè)重要方向。本文綜述了焊接應(yīng)力的形成條件、影響其分布的主要因素，分析了焊接應(yīng)力對(duì)焊縫金屬的影響，對(duì)今后改善焊接應(yīng)力的研究方向進(jìn)行了展望。

1、焊接應(yīng)力的產(chǎn)生

焊接構(gòu)件在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)之為焊接應(yīng)力，焊接后殘留在焊接構(gòu)件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱(chēng)之為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的形成，一般包括下列三個(gè)方面：

（1）直接應(yīng)力，是由于不均勻加熱而造成的，是焊接殘余應(yīng)力形成的主要方面，其取決于焊接構(gòu)件加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度而表現(xiàn)出來(lái)的熱應(yīng)力。

（2）間接應(yīng)力，是焊接前工序帶來(lái)的應(yīng)力，構(gòu)件在軋制和冷拔后表面會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，它與焊接產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，并對(duì)焊接后的構(gòu)件的變形產(chǎn)生了附加的影響。

（3）組織應(yīng)力，是由于組織變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，與材料的含碳量及材料的其他成分有關(guān)。

2、影響焊接應(yīng)力分布的主要因素

焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展是在加熱和冷卻的工作條件下隨材料的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變變化的過(guò)程。影響焊接應(yīng)力分布的主要因素有以下2個(gè)方面。

1.材料物理特性

溫度的變化是決定焊接熱應(yīng)力、應(yīng)變的重要物理特性，影響焊接溫度場(chǎng)分布的主要因素是材料物理參量如熱焓s、比熱容c以及密度p.

目前國(guó)內(nèi)主要通過(guò)計(jì)算或測(cè)量焊接溫度場(chǎng)來(lái)分析焊接應(yīng)力、應(yīng)變熱彈塑性動(dòng)態(tài)，陳楚等人對(duì)非線性的熱傳導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行了二維溫度場(chǎng)有限元分析，并對(duì)脈沖TIG焊接以及局部干法水下焊接等溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)例分析。

2.相變時(shí)的比容變化

金屬比容及性能在加熱及冷卻時(shí)隨金屬相變發(fā)生變化而變化，不同組織由于晶格類(lèi)型不一樣，其比容也不一樣。一般情況下，鋼材加熱冷卻不影響焊接殘余應(yīng)力；但當(dāng)冷卻速度很快或合金及碳元素增加時(shí)，在400℃以下條件奧氏體也能轉(zhuǎn)變成馬氏體，這種相變會(huì)引起比容變化，對(duì)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生很大的影響。

3、焊接應(yīng)力對(duì)焊縫金屬的影響

3.1 殘余應(yīng)力對(duì)焊縫金屬穩(wěn)定性的影響

在外載荷作用下，材料實(shí)際應(yīng)力是由荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加組成，殘余應(yīng)力能使部分材料截面提前屈服而進(jìn)入塑性狀態(tài)。這會(huì)導(dǎo)致部分材料截面提前退出工作，材料有效截面減小，慣性矩下降，整體穩(wěn)定性降低。

3.2 殘余應(yīng)力對(duì)焊縫金屬結(jié)構(gòu)剛度的影響

焊接殘余應(yīng)力會(huì)影響焊接材料的剛度，由于材料是實(shí)際應(yīng)力是由荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加組成，當(dāng)實(shí)際應(yīng)力到達(dá)材料屈服點(diǎn)時(shí)會(huì)使得材料發(fā)生塑性變形，造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也因而降低。

3.3 殘余應(yīng)力對(duì)金屬構(gòu)件變形的影響

殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)焊件受外力作用時(shí)會(huì)與殘余應(yīng)力相互作用，使構(gòu)件局部區(qū)域呈塑性變形，截面內(nèi)應(yīng)力重新分布；當(dāng)外力去除后，整個(gè)構(gòu)件發(fā)生變形。所以，殘余應(yīng)力顯著地影響構(gòu)件加工后的精度。殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形的影響包括兩個(gè)方面：一是構(gòu)件抵抗靜、動(dòng)載荷的變形的能力，一是載荷卸除后材料變形的恢復(fù)能力。殘余應(yīng)力在這兩方面對(duì)構(gòu)件的影響相當(dāng)大。

3.4 殘余應(yīng)力對(duì)焊件疲勞強(qiáng)度的影響

鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下出現(xiàn)的裂縫生成、擴(kuò)展以致斷裂破壞的現(xiàn)象稱(chēng)為鋼材的疲勞。殘余應(yīng)力的存在使動(dòng)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，應(yīng)力幅值產(chǎn)生了變化，這將對(duì)結(jié)構(gòu)抗疲勞的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此，如應(yīng)力集中處存在的殘余拉應(yīng)力較大，疲勞強(qiáng)度就會(huì)明顯降低。應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力的影響越顯著。因此，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯不利影響。

為驗(yàn)證焊接殘余應(yīng)力是否影響疲勞強(qiáng)度，Wilson、Newman、Navrotskii等分別對(duì)焊態(tài)及經(jīng)應(yīng)力釋放的各種對(duì)接焊縫接頭試件，在脈動(dòng)拉伸循環(huán)載荷下進(jìn)行了大量常幅疲勞試驗(yàn)。綜合分析表明：少數(shù)情況下應(yīng)力釋放并未改善疲勞強(qiáng)度，多數(shù)情況下盡管疲勞強(qiáng)度有所提高，但提高幅度很小。日本國(guó)立材料科學(xué)研究所對(duì)焊接殘余拉應(yīng)力、應(yīng)力比、材料拉伸強(qiáng)度等因素對(duì)角焊縫及對(duì)接焊縫接頭的疲勞強(qiáng)度影響進(jìn)行了深入的研究。其中，Ohtam等的試驗(yàn)研究同樣證實(shí)了焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度具有重要影響。

3.5 殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

焊接構(gòu)件在使用過(guò)程中如果長(zhǎng)期承受循環(huán)載荷的作用，構(gòu)件內(nèi)部就可能產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致疲勞破壞.焊接殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力附加于普通構(gòu)件的斷面上時(shí)，就會(huì)很容易產(chǎn)生裂紋，乃至斷裂。焊接拉伸殘余應(yīng)力能使構(gòu)件承受外應(yīng)力的能力下降到很低的水平。

4、改善焊接應(yīng)力的方法及趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)減小焊接殘余應(yīng)力的做法主要是通過(guò)焊前處理、調(diào)整焊接參數(shù)和進(jìn)行焊后處理。但這些方法都使焊接的工序變多，成本增加，而且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)殘余應(yīng)力的消除和降低是十分有限的。因此，在不增加焊接工序，不增加成本的條件下，最好的解決焊接殘余應(yīng)力，減少焊接應(yīng)力的方法就是開(kāi)發(fā)更好的低應(yīng)力焊絲材料。