高強度鋼焊接腔體的殘余應力消除方法

張 杰，王國近

高強度鋼焊接腔體的殘余應力消除方法

張 杰，王國近

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

固定船用動力蓄電池的高強度鋼焊接腔體對成型尺寸精度要求較高，但焊接過程產生的殘余應力，對焊接腔體的尺寸精度、使用壽命等產生較大的影響。本文從殘余應力的產生、測定、消除等方面進行了研究，為高強度焊接腔體在實際生產中殘余應力的消除提供參考。

高強度鋼 焊接腔體 殘余應力消除 船用動力蓄電池

0 引言

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

蓄電池柜腔體加工制造過程是通過焊槍焊條對高強度鋼進行局部加熱，使兩鋼板融合一起從而完成腔體的成型。在對腔體焊接過程中，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，從而產生殘余應力。

1 焊接殘余應力的產生

1.1 殘余應力的定義及分類

殘余應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部自相平衡的內應力，它屬于固有應力的一種存在狀態。

在工件中的殘余應力包括：1）宏觀范疇下的殘余應力，主要是在工件中存在不均勻塑性變形造成的殘余應力，并在物體內部處于平衡狀態，若這種平衡被打破會導致物體變形；2）微觀范疇下的殘余應力，存在于工件微觀內部組織（晶粒及亞晶粒），因微觀組織間相互間的物理作用而產生了不均勻的變形從而造成微觀殘余應力，當微觀殘余應力在工件內累積到一定值時，會對工件的宏觀尺寸造成影響；3）晶體內部亞結構范疇下殘余應力，存在于工件的晶粒亞結構組織，在晶粒的亞結構范圍內該應力會保持相對平衡，即使被破壞也不會對宏觀尺寸造成影響。

1.2 殘余應力的產生原因及影響

殘余應力主要在對工件進行物理加工過程中產生，而該過程中產生的殘余應力大部分對工件的宏觀尺寸存在影響[2]。高強度鋼焊接腔體在加工成型過程中主要是采用焊接技術，在焊接時會對鋼板進行急速加熱，焊接完成后鋼板會快速冷卻。因而在焊縫及遠離焊縫處存在冷熱不均的溫度場，而溫度場會使腔體產生殘余應力。

高強度鋼焊接腔體如圖1是由高強度結構鋼焊接而成，對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，焊接腔體的焊接部分會產生較大的焊接殘余應力，焊接殘余應力會導致焊接接頭出現應力腐蝕斷裂、腔體的強度及韌性下降等方面的危害，從而會影響焊接腔體的結構穩定性，降低腔體的使用壽命。因此，對高強度鋼焊接腔體的殘余應力消除是腔體焊接過程中一項重要內容。

圖1 高強度鋼焊接腔體

2 焊接殘余應力的測定

在對殘余應力的長期研究中，根據殘余應力的形成原理逐漸形成兩種有效且方便的應力測試方法：機械法和物理法[3]。

機械法主要是通過材料去除的手段將殘余應力釋放，通過貼應變片等方式測量應變，由彈性力學計算原理得出殘余應力，機械法主要是測量較大尺寸范圍內的殘余應力平均值；物理法主要是通過測量材料中某項物理參數隨殘余應力的變化來測量殘余應力值，物理法主要是測量小范圍內的殘余應力。機械法因其測量簡單，測量結果可靠，因此在工業上應用較廣泛。

對于焊接殘余應力的測量主要采用機械測量法中的壓痕法進行測量如圖2。壓痕法的基本原理是以電阻應變花作為測量用的敏感單元，在外力的作用下機械使敏感單元形成變量，應變儀讀取變量值來進行應變計算求出殘余應力。

圖2 壓痕法測量示意圖

高強度鋼焊接腔體的殘余應力測量主要包括以下幾方面：測量位置的確定及表面處理；應力測量準備；應變片壓痕的產生；殘余應力計算[4～5]。

2.1 測量位置的確定及表面處理

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

在選定位置處需要粘貼應變片并對其制造壓痕，因此需要對選定位置的表面進行處理，具體步驟如下：

1）測量表面初處理：對剛強度焊接腔體上殘余應力測量位置的表面焊渣、焊瘤、污漬、銹跡等進行處理，保證測量表面平整；

2）測量表面再處理：對經過初處理的表面進行表面拋光；

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

圖3 測量位置標記

2.2 應力測量準備

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

圖4 應變片切割線

2.3 應變片壓痕的產生

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

2.4 殘余應力計算

在壓頭對應變片進行沖擊產生壓痕后，應變片會進行形變從而產生應變，通過儀器記錄運算出在壓痕產生前后的應變增量；根據下述中的公式（1）計算得出殘余應變，由胡可定律計算殘余應力。

3 焊接殘余應力的消除方法

焊接腔體的焊接材料強度高，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量，因此在焊接腔體的過程中會產生較大的焊接殘余應力。焊接殘余應力的存在會對焊接腔體的結構穩定性和使用壽命產生較大的影響，因此在焊接過程中或焊接完成后需要對焊接腔體進行焊接殘余應力處理。

3.1 殘余應力消除理論

根據焊接殘余應力產生的原因，在對殘余應力的消除主要通過加熱法和施加外力法來進行消除。加熱法是對工件進行整體加熱，通過降低焊接工件的屈服強度，當工件材料自身屈服強度小于殘余應力時，工件材料內部會發生塑性流動從而降低殘余應力；施加外力法是對工件施加機械外力，當工件材料自身屈服強度小于施加外力與殘余應力累加和時，工件材料內部會發生塑性流動從而降低殘余應力。

3.2 殘余應力消除方法分析

在對殘余應力的消除理論分析上，消除殘余應力的方法也分為幾大類：焊后熱處理法、超聲沖擊法、機械拉伸法、振動時效法等。

焊后熱處理法是在焊接腔體整體完成后，對整個焊接零件結構進行加熱，從而降低焊接腔體材料的屈服強度，當焊接腔體在焊接過程中產生的殘余應力大于材料屈服強度時，材料會發生塑性流動從而實現焊接殘余應力的降低，該種方式主要對小件零件；

超聲沖擊法是用超聲沖擊設備高速沖擊焊縫及近焊縫區，使得該區域內的金屬發生塑性延展，材料的塑性延展能夠使焊接過程中產生的變形減少，使得殘余應力降低并重新分布，該種方式主要對焊縫較少零件；

機械拉伸法是使用專業設備對焊接工件進行橫向機械拉伸，在對焊接工件進行拉伸時會使其產生塑性變形，工件的塑性變形會對焊接時的壓縮塑性變形產生一定的抵消，使得殘余應力下降并重新分布，該種方式主要對焊縫方向統一的零件；

振動時效是在工件上施加一個周期式外在重復載荷，殘余應力與外在載荷會進行疊加，疊加值大于工件屈服極限時使得殘余應力得到釋放，從而完成殘余應力的消除[6]，該方式對尺寸大，焊縫多且焊縫方向不唯一的零件。

3.3 殘余應力消除方法選擇

高強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、機械拉伸法在對高強度焊接腔體殘余應力消除方面無法很好滿足要求。故在高強度腔體殘余應力消除時采用振動時效法。

3.4 振動時效處理

振動時效方法是將待測工件放置在平臺上，激振器通過夾具夾持在待測工件上，通過激振器的振動帶動待測工件進行高頻共振從而達到待測工件的殘余應力消除。振動時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。振動時效處理的工藝過程包括振前準備、工藝參數的確定、殘余應力處理、處理結果評定[7]。

1）振前準備

對于高強度鋼焊接腔體具有的焊接尺寸大、焊縫多、材料強度高等特點，殘余應力主要存在焊縫較多且角焊的位置。因此，在對高強度腔體殘余應力測量時，將激振器固定安裝在焊接腔體的加強筋與外框焊接處，加速傳感器應在遠離激振器的加強筋與外框焊接處。

2）工藝參數的確定

①偏心距測定：初始設置偏心距為零，對偏心距以等間隔進行逐次遞增，待工件出現共振時完成偏心距的測定；

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

③共振頻率處參數：調整激振器轉速到共振頻率處，記錄對應的振型、節線及振型有效區；

④傳感器調整：在工件上選擇剛性強且振幅較大處，將加速度傳感器固定在該處，調整傳感器的測試方向至振型有效區所在平面的垂直平面；

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

⑥工件激振：在有效頻率下對工件進行激振。

3）殘余應力處理

①首先在準備時效的有效頻率周圍局部掃頻，輸出振前局部掃頻曲線；

②接著在時效頻率的亞共振區選擇時效頻率振動工件；

③然后在時效頻率下振動工件，輸出時效曲線；

④最后效曲線a-t或n-t曲線出現以下情況后，振動時間再持續旋轉3 min后完成振動時效處理。

（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）處理結果評定

振動時效的效果主要通過參數曲線、工件尺寸穩定性檢測、殘余應力檢測等方法進行評定。

參數曲線：通過振動時效來進行殘余應力消除的全過程中產生的時效曲線（a-t曲線）或跟蹤曲線（n-t曲線），可反映出消除應力的效果；

工件尺寸穩定性檢測：對振動時效前后工件同一尺寸精度進行檢測；

殘余應力檢測：結合上文中對殘余應力的計算方法，對高強度腔體的殘余應力進行檢查。

4 結論

本文研究了殘余應力的分類，高強度鋼焊接腔體的殘余應力的產生原因及影響，殘余應力的測定，及殘余應力的消除。為高強度鋼焊接殘余應力的測定及消除積累了經驗。

[1] 黃華強, 李柏松. 焊接殘余應力產生原因分析及消除方法[J] . 工藝與技術, 2018.

[2] 王佳, 劉玉擎. 高強度鋼加勁板焊接殘余應力測試及分析[J] . 工程力學, 2016.

[3] 梁昇. 表層殘余應力及其層厚的壓痕測試方法[論文]. 鄭州大學, 2019.

[4] GB/T24179-2009. 金屬材料殘余應力測定壓痕應變法. [S]. 2009.

[5] GB/T 24179-2009, 金屬材料, 殘余應力測定, 壓痕應變法[S]. 2009.

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

[7] GB/T 25712-2010, 振動時效工藝參數選擇及效果評定方法[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：機械制造。E-mail: 1601286431@qq.com