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焊接殘余應(yīng)力的控制與消除

作者：孫先鋒等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
介紹了焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因、分布情況、產(chǎn)生的影響以及殘余應(yīng)力的控制與消除方法，對(duì)不同方法的工作原理、適用范圍和消應(yīng)效果進(jìn)行簡要概述。 關(guān)鍵詞:焊接殘余應(yīng)力；應(yīng)力消除；


    一、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因
    對(duì)構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，在焊件上會(huì)產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，焊接中心處溫度可達(dá)1600℃，高溫區(qū)的鋼材會(huì)發(fā)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(nèi)引起較高的溫度應(yīng)力，并在焊接過程中，隨時(shí)間和溫度而不斷變化，稱其為焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力較高的部位，甚至將達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形，因而鋼材冷卻后將有殘存于焊件內(nèi)的應(yīng)力，稱為焊接殘余應(yīng)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(xiàn)了一個(gè)與焊件加熱方向大致相反的內(nèi)應(yīng)力場。殘余應(yīng)力是一種自相平衡的力系，當(dāng)構(gòu)件承受荷載時(shí)，如受拉、受壓等，荷載引起的應(yīng)力將與截面殘余應(yīng)力相疊加，從而使構(gòu)件某些部位提前達(dá)到屈服強(qiáng)度，并發(fā)生塑性變形，故會(huì)嚴(yán)重降低構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。



    三、焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響
    焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是不利的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面
    （1）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響
    當(dāng)外載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)σs時(shí)，這一區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進(jìn)一步承受外載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。
    （2）對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響
    當(dāng)外載引起的壓應(yīng)力與殘余應(yīng)力中的壓應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)σs，這一部分截面就喪失進(jìn)一步承受外載的能力。這就削弱了構(gòu)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(wěn)定性。
    （3）對(duì)靜載強(qiáng)度的影響
    沒有嚴(yán)重應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)，只要材料具有一定的塑性變形能力，殘余應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。如材料處于脆性狀態(tài)，則拉伸殘余應(yīng)力和外載應(yīng)力疊加有可能是局部的應(yīng)力首先達(dá)到斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞。
    （4）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
    殘余應(yīng)力的存在使便合在的應(yīng)力循環(huán)發(fā)生偏移。這種偏移，只改變其平均值，不改變其幅值。結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時(shí)，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應(yīng)力集中處存在著拉伸殘余應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度將降低。
    （5）對(duì)焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響
    機(jī)械加工把一部分材料從焊件上切除時(shí)，此處的殘余應(yīng)力也被釋放。殘余應(yīng)力原來的平衡狀態(tài)被破壞，焊件發(fā)生變形，加工精度受影響。
    （6）對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響
    應(yīng)力腐蝕開裂是拉伸殘余應(yīng)力和化學(xué)腐蝕工作作用下產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，在一定材料和介質(zhì)的組合下發(fā)生。應(yīng)力腐蝕開裂所需的時(shí)間與殘余應(yīng)力大小有關(guān)，拉伸殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開裂的時(shí)間越短。
    四、焊接殘余應(yīng)力的控制與消除方法
    鑒于焊接殘余應(yīng)力的不利影響，必須采取措施控制其產(chǎn)生和進(jìn)行部分消除，常用的焊接殘余焊接應(yīng)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(yīng)力
    利用焊接順序控制殘余應(yīng)力在焊接中應(yīng)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(cuò)開的短焊縫，后焊直通長焊縫；先焊在工作時(shí)受力較大焊縫，后焊工作時(shí)受力較小的焊縫；對(duì)稱施焊。
    2.利用降低結(jié)構(gòu)局部剛度控制焊接殘余應(yīng)力
    構(gòu)件剛度大，對(duì)焊接變形的約束大，焊后殘余應(yīng)力則越大。因此在條件許可時(shí)，焊前采取一定的工藝措施，將焊接區(qū)域的局部剛度降低，能有效的降低焊接殘余應(yīng)力。例如，一圓形封頭補(bǔ)焊時(shí)，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(yīng)力很大，焊后易出現(xiàn)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(yīng)力大為降低。

    3.利用錘擊焊縫區(qū)控制焊接殘余應(yīng)力
    焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)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(qū)域，使金屬展開，能有效的減少焊接殘余應(yīng)力。據(jù)測(cè)定，利用錘擊法可使殘余應(yīng)力減少1/4~1/2。
    錘擊焊縫時(shí)，焊接區(qū)域構(gòu)件溫度應(yīng)當(dāng)維持在100~150℃之間，或400℃以上，避免在200~300℃之間進(jìn)行，因?yàn)榇藭r(shí)金屬正處于藍(lán)脆階段，若錘擊容易造成斷裂。
    多層焊時(shí)，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(chǎn)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(yù)熱控制焊接殘余應(yīng)力
    焊縫與構(gòu)件本體間溫差越大，焊接殘余應(yīng)力也越大，焊前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱，能減少溫差和減慢冷卻速度，兩者均能減小焊接殘余應(yīng)力。預(yù)熱法一般用于合金鋼、厚板、剛度大的構(gòu)件焊接，構(gòu)件整體預(yù)熱效果最佳，但實(shí)施困難，一般采取局部預(yù)熱的方式，即在焊縫及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)進(jìn)行加熱。
    常用的預(yù)熱方法有爐內(nèi)整體加熱、火焰加熱、紅外線加熱、工頻感應(yīng)加熱和電加熱等。在建筑鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接常采用氧-乙炔或氧-丙烷火焰加熱以及電加熱法進(jìn)行預(yù)熱。

    5.利用“加熱減應(yīng)區(qū)法”控制焊接殘余應(yīng)力
    焊接時(shí)，加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，就能減小焊接應(yīng)力，這種方法稱為“加熱減應(yīng)區(qū)法”，加熱的部位就稱之為“減應(yīng)區(qū)”。
    6.利用高溫回火消除焊接殘余應(yīng)力
    由于構(gòu)件殘余應(yīng)力的最大值通?？梢赃_(dá)到該種材料的屈服點(diǎn)，而金屬在高溫下屈服點(diǎn)將降低。所以將構(gòu)件的溫度升至某一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)力的最大值也減小到該溫度下鋼材的屈服點(diǎn)數(shù)值。如果要完全消除結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，則必須將構(gòu)件加熱到其屈服點(diǎn)等于零的溫度，所以所取的回火溫度接近這個(gè)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(gòu)件中80%~90%的殘余應(yīng)力消除掉，是生產(chǎn)中效果最好的一種消除殘余應(yīng)力的方法。各種金屬材料的回火溫度見表4-1。

    7.利用機(jī)械拉伸法消除焊接殘余應(yīng)力
    焊后對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加載拉伸，產(chǎn)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(yīng)力就隨之同步減小，這種方法叫機(jī)械拉伸法。
    8.利用溫差拉伸法消除焊接殘余應(yīng)力
    溫差拉伸法消除焊接殘余應(yīng)力的基本原理與機(jī)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(qū)。
    溫差拉伸法是在焊縫兩側(cè)各用一個(gè)寬度適當(dāng)?shù)难跻胰惭婧妇孢M(jìn)行加熱，在焊炬后面一定距離，用一根帶有排孔的水管進(jìn)行噴水冷卻。氧乙炔焰和噴水管以相同速度向前移動(dòng)，如圖4-5所示。這就形成了一個(gè)兩側(cè)溫度高（峰值約為200℃）、焊接區(qū)溫度低（約為100℃）的溫度差。兩側(cè)金屬受熱膨脹對(duì)溫度較低的區(qū)域進(jìn)行拉伸，這樣可消除部分殘余應(yīng)力。據(jù)測(cè)定，溫差拉伸法可消除殘余應(yīng)力50%~70%。溫差拉伸法的參數(shù)見表4-2


    9.利用振動(dòng)法消除焊接殘余應(yīng)力
    構(gòu)件承受變載荷應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，經(jīng)過多次循環(huán)加載后，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力逐漸降低，即利用振動(dòng)的方法可以消除部分焊接殘余應(yīng)力。
    振動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、成本低（與熱處理時(shí)效相比），工效高，沒有高溫回火時(shí)的氧化問題，消除應(yīng)力主要在工廠進(jìn)行，VSR時(shí)效振動(dòng)法對(duì)于長度在10m以內(nèi)，重量20噸以下的鋼構(gòu)件應(yīng)力的消除特別有效，已在生產(chǎn)上得到一定應(yīng)用。



    10.利用爆炸法消除焊接殘余應(yīng)力
    通過布置在焊縫附近的炸藥帶，引爆產(chǎn)生的沖擊波與焊接殘余應(yīng)力的交互作用，使金屬產(chǎn)生適量的塑性變形，從而消除部分殘余應(yīng)力的方法叫爆炸法。采用爆炸法時(shí)炸藥帶的數(shù)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(yīng)力。其消應(yīng)效果如圖4-10橫向和縱向的殘余應(yīng)力均有大幅降低，消除應(yīng)力效果明顯。

    11.焊接接頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化
    為實(shí)現(xiàn)焊接順序的總思路，從設(shè)計(jì)的角度上對(duì)接頭進(jìn)行優(yōu)化，其著眼點(diǎn)就是降低約束度。
    (1) 正確布置焊縫，焊縫不要布置在工作應(yīng)力最大的區(qū)域，在拉應(yīng)力區(qū)盡量減少幾何的不連續(xù)性；
    (2) 避免復(fù)雜的多構(gòu)件連接；
    (3) 盡量較少焊縫的數(shù)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(yīng)力應(yīng)變就加大）。
    五、結(jié)束語
    殘余應(yīng)力是焊接行業(yè)內(nèi)一直在研究的課題，目前建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝單位通過控制焊接順序、焊接節(jié)點(diǎn)的坡口形式、焊前預(yù)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(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。隨著新型設(shè)備的開發(fā)，將會(huì)有更加高效、方便的方法應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力消除。


    參考文獻(xiàn)
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