焊接残余应力的产生及消除总结

摘要：在分析残余应力产生原理的基础上，介绍了焊接残余应力的概念，并探讨了焊接残余应力产生的原因及其影响因素，提出了消除焊接残余应力的方法，指出研究和测量构件中残余应力对生产和科学实验具有的重要意义。

关键词：焊接 残余应力 物理特性

中图分类号：P755.1 文献标识码：A

焊接是一种运用（多数情况下为局部）加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸的链接在一起或者在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺。由于高度集中的瞬间热输入，在焊接后将产生相当大的残余应力（焊接残余应力）。与载荷应力相比，焊接残余应力是发生在没有外力情况下的内力。实际上，在各种机械和及其的加工制造过程中，构件内部都将产生残余应力。所产生的残余应力的状态，特别是其应力值的大小、应力的分布是随着各种加工方法不同而有差异的。

焊接作为钢结构中的重要工艺,是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接结构广泛用于航天、桥梁、压力容器等工业中,焊接过程中的加热和冷却循环不可避免地导致残余应力的产生[1]。残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能,同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响,对结构的强度造成很大危害,

历史上许多灾难性破坏事故大多是由结构中的残余应力引起[2]。因此,研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验有着重大的意义。

一、残余应力产生原理

残余应力是在无外力作用时,以平衡状态存在于物体内部的应力。残余应力的机械测定，就是将物体进行切槽或切取，使残余应力部分释放或全部释放，用实验方法测出释放时所产生的形变，据此求出残余应力。

二、焊接残余应力的概念和分类

焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力,按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中,某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力,它随时间而变化;焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力[3,5]。

焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：

1、直接应力：这是进行不均匀加热和冷却的结果，他取决于加热和冷却的温度梯变，是形成焊接残余应力的主要原因。

2、间接应力 这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外焊件受外界约束产生的约束力也属于此类应力。

3、组织应力这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。他虽然因含碳量和材料其他成分不同而异，但一般情况下，这种影响必须到加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。

残余应力一般主要是由1、情况的直接应力所造成的。在此有必要的这种温度梯度所造成的影响做更进一步的探讨。在加热过程中，一般在物体内，如果其各部分呈不均匀的温度状态时，各部分的热膨胀数量就不同，由于彼此间相互制约就产生热应力。

三、 焊接残余应力产生的原因及影响因素

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分,有如下3种情况:1)直接应力。这是进行不均匀加热和冷却的结果,它取决于加热和冷却时的温度梯度,是形成焊接残余的主要原因。2)间接应力。这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时,都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去,而在焊后的变形过程中,往往也具有附加性的影响。另外焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。3)组织应力。这是由组织变化而产生的应力,也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料中其他成分不同而异,但一般情况下,这种影响必须要加以考虑的是发生相变的温度和平均冷却速度。焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例,影响这一过程的主要因素有以下两个方面:

1)材料物理特性和力学性能的影响。一些常用材料的热物理特性在给定的温度T区间的平均值见表1。热导率λ,比热容c,密度ρ或由这几个参数联合表示的热扩散率α=λ/cρ,以及热焓S是影响焊接温度场分布的主要物理参数。线膨胀系数a随温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。

2)不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布,因而也改变着焊接残余应力的分布规律。

四、 焊接残余应力的消除方法[5]

由于构件中残余应力的不良影响,科技人员针对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作:1)通过改善加工工艺参数,尽量减少残余应力;2)提出一些消除残余应力的措施。

4.1 热处理法

用热作用消除残余应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。热处理法是将焊接构件整体或局部以一定的加热速度加剧到A1相变点以下适当温度,数小时或数日的长时间保温,然后再进行缓冷的过程。这种方法不仅能消除焊接残余应力,而且还能使大多数钢的焊接区材质得到改善。

4.2 拉伸法

这是在构件的断面上,仅仅施加均匀的拉应力使之产生塑性变形,它的方向与焊接时压缩塑性变形相反,并由此而使应力得到松弛的方法。

4.3 振动法

这种方法是把小构件安装在适当的台上并给予振动,对大型构件可直接将振动设备夹固在适当支撑的构件上进行振动,振动的大小需根据焊件的重量和几何形状等因数来确定。根据有关资料,振动应力在20MPa～35MPa的范围内振动效果最佳。这种处理方法的优点在于设备投资不到热处理的10%,生产费用为热处理的10%左右,节约能源98%以上。

4.4 爆炸法

爆炸处理消除焊接残余应力是近30年来出现的一种新的消除残余应力工艺。我国从20世纪80年代初进行此项技术的研究和应用推广工作,已经取得了较好的社会经济效果。这一方法是用适当的炸药以适当的方式在焊接构件上的焊接残余应力区内引爆,利用爆炸冲击波的能量使残余应力区产生塑性变形,从而达到减少或消除残余应力的目的。研究证明,爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力,如果需要还可以在焊接区造成残余压应力。

五、结余

1）伴随焊接过程的进行,会在焊接构件的内部产生自相平衡 的内应力。根据作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。

2)焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。按其发生源来区分可分为直接应力、间接应力、组织应力。焊接残余应力一般主要是由直接应力造成的。

3)以熔焊方法焊接的构件,其焊接残余应力的大小和分布主要与材料物理特性和力学性能、不同类型焊接热源等有关。

4)焊接残余应力在焊接结构中普遍存在,只要采用适当的处理方法是可以减小或消除的。

参考文献:

[1] 程书力.基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析[D]. 南昌:南昌大学建筑工程学院硕士学位论文,2007.

[2] 陈会丽,钟 毅,王华昆,等.残余应力测试方法的研究进展 [J].云南冶金,2005,34(3):1232124.

[3] 佘昌莲.焊接结构的残余应力研究[D].武汉:武汉理工大学 交通学院硕士学位论文,2006.

[4] 翟晓鹏,张系斌,刘泰凤.T型钢节点焊接残余应力及变形 研究[J].山西建筑,2007,33(8):57258.

[5] 宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京:中国石化 出版社,2004.

[6] 姜光伟,李燕强.焊接应力的形成与消除[J].中国科技信 息,2005,25(16):1232124.