關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討

（山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046011）

0 引言

在對待相關(guān)復(fù)雜零件與設(shè)備裝置的構(gòu)件塑造中，焊接是一種最為常見，并且十分具有實用性的加工方法。焊接構(gòu)件構(gòu)造具有生產(chǎn)時間短、使用周期長、操作簡便與封閉牢固性等許多優(yōu)點，但在焊接操作的過程中，經(jīng)常會有焊接殘余應(yīng)力存在嚴(yán)重制約焊接產(chǎn)品的使用周期與穩(wěn)固性，其產(chǎn)生的原因是因為在焊接構(gòu)件過程中，由于焊接環(huán)境的溫度差異形成一個不均衡的溫度圈，導(dǎo)致焊接材質(zhì)發(fā)生了內(nèi)變，即改變了構(gòu)件的塑形應(yīng)變能力與熱度應(yīng)變能力，從而形成了焊接殘余應(yīng)力。關(guān)于焊接殘余應(yīng)力的消除方法從產(chǎn)生之初便一直是相關(guān)行業(yè)所關(guān)注的重點話題，根據(jù)焊接殘余應(yīng)力的形成條件不難發(fā)現(xiàn)，解決焊接形成的壓縮塑性變形就能克服殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

1 焊接殘余應(yīng)力的消除方法

1.1 對焊接殘余應(yīng)力使用熱處理消除法

一般來說，處于高溫環(huán)境的焊接材料會由于溫度的提高而內(nèi)部材料變得逐漸軟化，形成脆變現(xiàn)象與高溫度閾值下降的狀況出現(xiàn)，在面對以上這種情況，焊接材料的殘余應(yīng)力有一定程度的下降，并且在此時，如果通過熱能軟化材料對零件的接頭部分進行重新加工焊接，能逐漸完善焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高構(gòu)件的使用周期。在進行熱處理焊接的方法分為兩種，即局部高溫?zé)岫忍幚砼c全面高溫?zé)岫忍幚韀1]。

1.2 局部高溫?zé)岫忍幚?/h3>

在面對焊接材料零件處于峰值過高的情況時，采用局部高溫?zé)岫忍幚砟軌蜉^快解決殘余應(yīng)力的存在，但其適用范圍較窄，只能針對特殊情況進行處理分析。有關(guān)局部高溫?zé)岫忍幚矸绞酱蟾欧譃榛鹧孀茻訜崽幚怼㈦娏ψ枇魅蹱t加熱處理、熱流感應(yīng)器加熱處理以及紅外線加熱處理等方式。按照上述方式，進行焊接殘余應(yīng)力的消除效果，其關(guān)鍵之點在于高溫?zé)岫燃訜釁^(qū)的溫度高低與覆蓋范圍大小有關(guān)。

1.3 全面高溫?zé)岫忍幚?/h3>

在面對焊接工作時一個整體的零件結(jié)構(gòu)或者工程時，應(yīng)該根據(jù)焊接殘余應(yīng)力的分布位置做出架構(gòu)圖，根據(jù)架構(gòu)圖中的零件厚度與大小進行高溫?zé)岫鹊臅r間進行準(zhǔn)確估計，例如，在面對以毫米為計量單位的構(gòu)件板塊時，按照1mm 高溫?zé)岫忍幚?.5min，最少進行為期30min 高溫?zé)岫忍幚恚蝗绻涓采w范圍過于龐大，則最大高溫?zé)岫乳撝禃r間不宜超過3h。在對整體焊接殘余應(yīng)力的消除工作時，根據(jù)存留的殘余應(yīng)力率先進行全面協(xié)調(diào)的高溫處理，同時根據(jù)架構(gòu)圖中所描述最為嚴(yán)重的殘余應(yīng)力地區(qū)進行專門增溫，例如,在鈦合金與不銹鋼的焊接殘余應(yīng)力消除工作中，應(yīng)該將全面溫度提升至580℃；在普通鐵質(zhì)的殘余應(yīng)力消除中，將溫度提升至600℃。遵循上述高溫?zé)岫认ǎ軌蜃畲蟪潭认龤堄鄳?yīng)力，但具體結(jié)果還是要根據(jù)高溫?zé)岫忍幚淼拿娣e范圍、溫度提升的方式、焊接完成后的冷卻工作與材料保溫的時間長短有關(guān)。

2 對焊接殘余應(yīng)力使用外力加載消除法

針對焊接過程中形成的焊接縫隙，常常導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)不夠緊密，所以面對這種焊接殘余應(yīng)力的消除方式應(yīng)該是，對焊接構(gòu)件進行外物力量的施加，使得焊接構(gòu)件進行內(nèi)外結(jié)構(gòu)的拉伸，將形成的焊接縫隙進行融合處理，即通過裝置拉伸、溫差拉伸、氣壓液壓等方式施加應(yīng)力，對焊接零件進行壓合重造，從而達到成功消除焊接殘余應(yīng)力的目的[2]。

2.1 機械拉伸法

通過對焊接結(jié)構(gòu)的觀察之后，確定進行焊接的部位，對焊接區(qū)域使用機械裝置進行壓力壓制，使得焊接內(nèi)部的伸縮變形區(qū)得到進一步的壓縮，從而可塑性大大提高，引起殘余應(yīng)力的降低。其次，在焊接材料的殘余應(yīng)力達到可是進行消除的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)以此時的消除閾值為準(zhǔn)，將拉伸塑性轉(zhuǎn)化為彈性塑性，此時，可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計可知，焊接殘余應(yīng)力有一定程度上的減弱。在人民出版社的《焊接結(jié)構(gòu)》一書中這樣描述：“經(jīng)過拉伸的加載機械，能夠使得焊接應(yīng)力在外力的作用下產(chǎn)生明顯的拉伸塑性變化，并且拉伸方向能夠于最初焊接材料的拉伸塑性方向呈反向生長”，二者相對而立，在零件內(nèi)部由于焊縫形成的殘余應(yīng)力相互抵消，大幅度提高加載應(yīng)力，即能夠快速消除存留在機械內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

2.2 低應(yīng)力無變形拉伸法

在面臨焊接材料處于長期動態(tài)的情況下，首先要針對焊接的首尾進行拉伸壓縮，即通過對焊接材料的兩端進行率先焊接處理，因為在焊接金屬的兩端由于高溫的作用，會形成大范圍的溫度上升，焊接金屬膨脹擴大，帶動存在于焊接縫隙之間的殘余應(yīng)力的壓縮，與原有拉伸應(yīng)力相互聯(lián)合疊加，使得焊接材料的質(zhì)度低于高溫加工的材料質(zhì)度，形成屈服拉伸壓力。在這一過程中，當(dāng)殘留的殘余應(yīng)力能夠融合呈屈服拉伸應(yīng)力時就說明形成了整個過程的焊接殘余應(yīng)力，也就是焊接殘余應(yīng)力得到了減少；當(dāng)拉伸應(yīng)變壓力大于焊接應(yīng)力時，就說明焊接應(yīng)力在焊縫中留存的越來越多，殘余應(yīng)力增多；當(dāng)拉伸應(yīng)變壓力與焊接應(yīng)力相等時，就說明此時達到了全部焊接應(yīng)力都得到了清除。從上述分析可知，通過低應(yīng)力無變形拉伸法雖然能在一定程度上消除殘余應(yīng)力的存在，但從大的范圍來看，依舊只能減緩焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，并且在拉伸過程中會形成新的殘余應(yīng)力，總而言之，該方法的適用范圍與后果導(dǎo)致此類消除方法具有局限性。

2.3 滾壓法

對焊接金屬進行滾壓之前，應(yīng)當(dāng)將原有的焊接金屬的彈性數(shù)值設(shè)為εs，其中焊接殘余應(yīng)力設(shè)為σs，在利用滾壓法進行焊接金屬工程時，由于滾壓形成的拉伸彈性會引起金屬可塑性能的增加與變形力度的加大，所以經(jīng)歷滾壓之后的彈性應(yīng)力變化值為εs-εp，殘余應(yīng)力值為E(εs-εp)，根據(jù)所得出的結(jié)論可以知道，E(εs-εp)εs,可以知道此時焊縫出現(xiàn)壓應(yīng)力。結(jié)合上述理論可以知道，在進行滾壓焊接時，由于焊接金屬與外界條件的干涉，會導(dǎo)致金屬的拉伸性能提高，同時產(chǎn)生彈性變化應(yīng)力，在一定程度上降低了金屬中殘留的焊接殘余應(yīng)力，所以滾壓法是消除殘余應(yīng)力的有效措施與方法[3]。

2.4 溫差拉伸法

由北京機械工業(yè)出版社發(fā)行的《機械工程手冊》中這樣表述：“當(dāng)焊接金屬的首尾兩端受到外部高溫加熱時，會導(dǎo)致兩端金屬受熱過度膨脹，高溫部位向低溫部位進行焊縫拉伸轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生的拉伸變形應(yīng)力使得整體區(qū)域的可塑性大大提高，用于抵消原本殘留的壓縮變形之處，以便消除殘余應(yīng)力。”通過上述文獻論證發(fā)現(xiàn)，在金屬兩端進行溫度的增加處理后，在其他條件不變的情況下，能夠使得溫度較低的金屬部位收縮，溫度較高的地方金屬呈現(xiàn)膨脹，對其中焊接過程中形成的焊縫進行物色處理，并且壓縮方向時沿著金屬加熱的縱向進行壓縮處理，使得其中的殘余應(yīng)力有所降低。

3 焊接殘余應(yīng)力的消除原理

據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)進行金屬焊接作業(yè)時，其中的相對壓縮原理變形與金屬的可塑性不會在焊縫中產(chǎn)生，從而塑造有效的拉伸應(yīng)力與可塑性的變形，在參與應(yīng)力消除原理中，由于塑性應(yīng)力變化的產(chǎn)生以致于彈性應(yīng)力變化進行相互抵消。一般來說，在焊接金屬的焊縫中通常會有拉伸塑形應(yīng)變在其中產(chǎn)生，產(chǎn)生的應(yīng)力能夠有效地消除殘余應(yīng)力。此外，還有一種觀點認為，上述焊接殘余應(yīng)力的描述并不十分準(zhǔn)確，對拉伸塑性應(yīng)變與殘余應(yīng)力的抵消的原理解釋不全面[4]。

1）可塑性應(yīng)力變化時不可逆轉(zhuǎn)、不可恢復(fù)的變化，彈性應(yīng)力變化則是可逆轉(zhuǎn)、可恢復(fù)處理的變化，二者具有完全不同的性質(zhì)。當(dāng)沒有外物應(yīng)力的基礎(chǔ)上，由于焊接構(gòu)件中的可塑性應(yīng)力分布不均衡，會與彈性應(yīng)力在不同環(huán)境中產(chǎn)生數(shù)量與質(zhì)量的變化，因此，二者消除殘余應(yīng)力的抵消理論是難以實現(xiàn)的，不夠全面。

2）在對焊接殘余應(yīng)力的消除討論中，通過拉伸塑性應(yīng)力變化差異的產(chǎn)生，就能夠使其消除焊接殘余應(yīng)力是不切實際以及缺少理論支撐。在一個彈性應(yīng)力變化弱于拉伸塑性應(yīng)力變化時，存在經(jīng)過焊接形成的金屬質(zhì)量的增加，也變相擴大了焊接構(gòu)件的體積，因此這方面理論支撐不夠?qū)嶋H。在進行彈性應(yīng)力屈服拉伸應(yīng)力變化與可塑性應(yīng)力變化值中，存在焊接構(gòu)件原有的應(yīng)力變化，在重新評估后依舊會存在殘余應(yīng)力，只能減少殘余應(yīng)力，而不能消除。

4 結(jié)語

針對消除焊接殘余應(yīng)力，首先要根據(jù)殘余應(yīng)力形成的條件與環(huán)境進行入手，即通過熱度應(yīng)力變化、相對金屬部位應(yīng)力變化以及拉伸可塑性能等方面出發(fā)，根據(jù)面臨的不同環(huán)境與金屬進行選擇消除焊接殘余應(yīng)力的方式，通過熱量處理使得焊接形成的縫隙構(gòu)件進行中和，再對其獨有應(yīng)力變化的源頭進行焊接構(gòu)件的自我應(yīng)力消除。在常規(guī)焊縫形成過程中，由于金屬縫隙具有可塑性，并且能夠在一定條件下完成伸縮性能的改變，從而利用上述原理進行殘余應(yīng)力的消除工作，實現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的消除。