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焊接殘余應力的控制與消除

作者：孫先鋒等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
介紹了焊接殘余應力產生的原因、分布情況、產生的影響以及殘余應力的控制與消除方法，對不同方法的工作原理、適用范圍和消應效果進行簡要概述。 關鍵詞:焊接殘余應力；應力消除；


    一、焊接殘余應力產生的原因
    對構件進行焊接時，在焊件上會產生局部高溫的不均勻溫度場，焊接中心處溫度可達1600℃，高溫區的鋼材會發生較大程度的膨脹伸長，但受到相鄰鋼材的約束，從而在焊件內引起較高的溫度應力，并在焊接過程中，隨時間和溫度而不斷變化，稱其為焊接應力。焊接應力較高的部位，甚至將達到鋼材的屈服強度而發生塑性變形，因而鋼材冷卻后將有殘存于焊件內的應力，稱為焊接殘余應力。并且在冷卻過程中，鋼材由于不能自由收縮，而受到拉伸，于是焊件中出現了一個與焊件加熱方向大致相反的內應力場。殘余應力是一種自相平衡的力系，當構件承受荷載時，如受拉、受壓等，荷載引起的應力將與截面殘余應力相疊加，從而使構件某些部位提前達到屈服強度，并發生塑性變形，故會嚴重降低構件的剛度和穩定性以及結構疲勞強度。



    三、焊接殘余應力對結構性能的影響
    焊接殘余應力對結構的影響是不利的，主要表現在以下幾個方面
    （1）對結構剛度的影響
    當外載產生的應力與結構中某區域的殘余應力疊加之和達到屈服點σs時，這一區域的材料就會產生局部塑性變形，喪失了進一步承受外載的能力，造成結構的有效截面積減小，結構的剛度也隨之降低。
    （2）對受壓桿件穩定性的影響
    當外載引起的壓應力與殘余應力中的壓應力疊加之和達到屈服點σs，這一部分截面就喪失進一步承受外載的能力。這就削弱了構件的有效截面面積，并改變了有效截面面積的分布，降低了受壓桿件的穩定性。
    （3）對靜載強度的影響
    沒有嚴重應力集中的焊接結構，只要材料具有一定的塑性變形能力，殘余應力不影響結構的靜載強度。如材料處于脆性狀態，則拉伸殘余應力和外載應力疊加有可能是局部的應力首先達到斷裂強度，導致結構早期破壞。
    （4）對疲勞強度的影響
    殘余應力的存在使便合在的應力循環發生偏移。這種偏移，只改變其平均值，不改變其幅值。結構的疲勞強度與應力循環的特征有關，當應力循環的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應力集中處存在著拉伸殘余應力，疲勞強度將降低。
    （5）對焊件加工精度和尺寸穩定性的影響
    機械加工把一部分材料從焊件上切除時，此處的殘余應力也被釋放。殘余應力原來的平衡狀態被破壞，焊件發生變形，加工精度受影響。
    （6）對應力腐蝕開裂的影響
    應力腐蝕開裂是拉伸殘余應力和化學腐蝕工作作用下產生裂紋的現象，在一定材料和介質的組合下發生。應力腐蝕開裂所需的時間與殘余應力大小有關，拉伸殘余應力越大，應力腐蝕開裂的時間越短。
    四、焊接殘余應力的控制與消除方法
    鑒于焊接殘余應力的不利影響，必須采取措施控制其產生和進行部分消除，常用的焊接殘余焊接應力控制方法有以下幾種。
    1.利用焊接順序和方向控制焊接殘余應力
    利用焊接順序控制殘余應力在焊接中應用較為廣泛。焊接順序的確定一般遵循以下原則：先焊變形收縮大的焊縫，后焊變形收縮小的焊縫；先焊錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫；先焊在工作時受力較大焊縫，后焊工作時受力較小的焊縫；對稱施焊。
    2.利用降低結構局部剛度控制焊接殘余應力
    構件剛度大，對焊接變形的約束大，焊后殘余應力則越大。因此在條件許可時，焊前采取一定的工藝措施，將焊接區域的局部剛度降低，能有效的降低焊接殘余應力。例如，一圓形封頭補焊時，需加一塞塊，如圖4-1所示。因封頭較厚又是封閉焊縫，所以焊接應力很大，焊后易出現裂紋，可在靠近焊縫處開兩圈緩和槽，降低了接頭處的局部剛度，使焊接應力大為降低。

    3.利用錘擊焊縫區控制焊接殘余應力
    焊接殘余應力產生的根本原因是由于焊縫在冷卻過程中的收縮，焊后用小錘輕敲焊縫及其鄰近區域，使金屬展開，能有效的減少焊接殘余應力。據測定，利用錘擊法可使殘余應力減少1/4~1/2。
    錘擊焊縫時，焊接區域構件溫度應當維持在100~150℃之間，或400℃以上，避免在200~300℃之間進行，因為此時金屬正處于藍脆階段，若錘擊容易造成斷裂。
    多層焊時，除第一層和最后一層焊縫外，每層都要錘擊。第一層不錘擊是為了避免產生根部裂紋；最后一層通常焊的很薄，不錘擊是為了避免冷作硬化。
    4.利用預熱控制焊接殘余應力
    焊縫與構件本體間溫差越大，焊接殘余應力也越大，焊前對構件進行預熱，能減少溫差和減慢冷卻速度，兩者均能減小焊接殘余應力。預熱法一般用于合金鋼、厚板、剛度大的構件焊接，構件整體預熱效果最佳，但實施困難，一般采取局部預熱的方式，即在焊縫及其兩側一定范圍內進行加熱。
    常用的預熱方法有爐內整體加熱、火焰加熱、紅外線加熱、工頻感應加熱和電加熱等。在建筑鋼結構現場焊接常采用氧-乙炔或氧-丙烷火焰加熱以及電加熱法進行預熱。

    5.利用“加熱減應區法”控制焊接殘余應力
    焊接時，加熱那些阻礙焊接區自由伸縮的部位，使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，就能減小焊接應力，這種方法稱為“加熱減應區法”，加熱的部位就稱之為“減應區”。
    6.利用高溫回火消除焊接殘余應力
    由于構件殘余應力的最大值通常可以達到該種材料的屈服點，而金屬在高溫下屈服點將降低。所以將構件的溫度升至某一定數值時，應力的最大值也減小到該溫度下鋼材的屈服點數值。如果要完全消除結構中的殘余應力，則必須將構件加熱到其屈服點等于零的溫度，所以所取的回火溫度接近這個溫度。

    高溫回火分為整體高溫回火和局部高溫回火，整體高溫回火可將構件中80%~90%的殘余應力消除掉，是生產中效果最好的一種消除殘余應力的方法。各種金屬材料的回火溫度見表4-1。

    7.利用機械拉伸法消除焊接殘余應力
    焊后對構件進行加載拉伸，產生拉伸塑性變形，使它的方向和壓縮殘余變形相反，使壓縮殘余變形減小，焊接殘余應力就隨之同步減小，這種方法叫機械拉伸法。
    8.利用溫差拉伸法消除焊接殘余應力
    溫差拉伸法消除焊接殘余應力的基本原理與機械拉伸法相同，主要差別是利用局部加熱的溫差來拉伸焊縫區。
    溫差拉伸法是在焊縫兩側各用一個寬度適當的氧乙炔焰焊炬進行加熱，在焊炬后面一定距離，用一根帶有排孔的水管進行噴水冷卻。氧乙炔焰和噴水管以相同速度向前移動，如圖4-5所示。這就形成了一個兩側溫度高（峰值約為200℃）、焊接區溫度低（約為100℃）的溫度差。兩側金屬受熱膨脹對溫度較低的區域進行拉伸，這樣可消除部分殘余應力。據測定，溫差拉伸法可消除殘余應力50%~70%。溫差拉伸法的參數見表4-2


    9.利用振動法消除焊接殘余應力
    構件承受變載荷應力達到一定數值，經過多次循環加載后，結構中的殘余應力逐漸降低，即利用振動的方法可以消除部分焊接殘余應力。
    振動法的優點是設備簡單、成本低（與熱處理時效相比），工效高，沒有高溫回火時的氧化問題，消除應力主要在工廠進行，VSR時效振動法對于長度在10m以內，重量20噸以下的鋼構件應力的消除特別有效，已在生產上得到一定應用。



    10.利用爆炸法消除焊接殘余應力
    通過布置在焊縫附近的炸藥帶，引爆產生的沖擊波與焊接殘余應力的交互作用，使金屬產生適量的塑性變形，從而消除部分殘余應力的方法叫爆炸法。采用爆炸法時炸藥帶的數量及安放位置，如圖4-9所示。

    三峽水電站大型壓力鋼管焊后采用了爆炸法消除焊接殘余應力。其消應效果如圖4-10橫向和縱向的殘余應力均有大幅降低，消除應力效果明顯。

    11.焊接接頭的設計優化
    為實現焊接順序的總思路，從設計的角度上對接頭進行優化，其著眼點就是降低約束度。
    (1) 正確布置焊縫，焊縫不要布置在工作應力最大的區域，在拉應力區盡量減少幾何的不連續性；
    (2) 避免復雜的多構件連接；
    (3) 盡量較少焊縫的數量及其尺寸，尤其是角焊縫的焊角尺寸S，盡量不要超過最小焊角尺寸（線能量E與S2成正比，S越大線能量E就越大，應力應變就加大）。
    五、結束語
    殘余應力是焊接行業內一直在研究的課題，目前建筑鋼結構安裝單位通過控制焊接順序、焊接節點的坡口形式、焊前預熱、焊接過程中的錘擊以及后熱保溫等措施來減小焊接殘余應力對結構的不利影響。隨著新型設備的開發，將會有更加高效、方便的方法應用于鋼結構焊接殘余應力消除。


    參考文獻
    ［1］局部低溫熱處理消除焊接殘余應力方法研究，趙維義，劉烈全，2001
    ［2］爆炸處理消除X70管線環焊縫焊接殘余應力的研究，李榮鋒等，2002
    ［3］加熱溫度對Fe-Cr-Co馬氏體耐熱鋼組織和性能的影響 李巨川;顧家琳;賈崇林,2005
    ［4］磁處理對低碳鋼焊接殘余應力作用規律的試驗研究，林健等，2006
    ［5］預熱處理工藝對20CrMnSiNi2A鋼組織性能的影響, 鄒安全　王水泉　鄧沛然,2007
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