焊接殘余應(yīng)力的形成機制和消除方法

1、<p>　　焊接殘余應(yīng)力的形成機制和消除方法</p><p>　　摘要: 鋼結(jié)構(gòu)的焊接工藝十分復(fù)雜，在實際操作中，存在很多焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，如果這種現(xiàn)象不能得到控制，將會產(chǎn)生不可估量的損失。文章主要闡述了鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)力的消除方法。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：焊接；殘余應(yīng)力；控制；消除方法 </p><p>　　中圖分類

2、號：P755.1文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)是鋼材通過一定的設(shè)計方法做成構(gòu)件，構(gòu)件再通過一定的連接方式連接成的整體結(jié)構(gòu)承力體系或傳力體系。連接方式及其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響鋼結(jié)構(gòu)的工作性能。焊接連接是目前鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方式。但在焊接過程中，在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材的金相組織發(fā)生改變，導(dǎo)致局部材質(zhì)變脆；焊接殘余應(yīng)力和殘余變形使受壓構(gòu)件承載力降低；焊接結(jié)構(gòu)對裂紋很敏感，局部的裂縫一旦發(fā)

3、生，就容易擴展到整體。 </p><p>　　一、焊接殘余應(yīng)力 鋼材的焊接是一個不均勻的加熱和冷卻的過程。在施焊時，焊縫及其附近區(qū)域的溫度很高，而臨近區(qū)域溫度則急劇的下降，導(dǎo)致不均勻的溫度場。不均勻的溫度場產(chǎn)生不均勻的膨脹，溫度低的區(qū)域膨脹量小，限制了高溫度區(qū)域鋼材的膨脹。當(dāng)焊接溫度場消失后，構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。（1） 焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)的影響： </p><p>

4、;　　1.對鋼結(jié)構(gòu)剛度的影響 焊接殘余應(yīng)力使構(gòu)件的有效截面減小，喪失進一步承受外載的能力。焊接殘余應(yīng)力的存在還會增大結(jié)構(gòu)的變形，降低結(jié)構(gòu)的剛度。 </p><p>　　2.對靜力強度的影響 由于焊接殘余應(yīng)力的自相平衡，使受壓區(qū)和受拉區(qū)的面積相等。構(gòu)件全截面達到屈服強度所承受的外力與無焊接殘余應(yīng)力的軸心受拉構(gòu)件全截面達到屈服強度時的應(yīng)力相等，因此不影響靜力強度。 </p><p>　　3.對

5、疲勞強度的影響 焊接殘余應(yīng)力的存在使應(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。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高。 </p><p>　　4.對應(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)腐蝕作用下產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，在特定材料和介質(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)力腐蝕開裂的時間越短。 </p><p>

6、　　5.對低溫工作性能的影響 在厚板焊接處或具有交叉焊縫的部位，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力，阻礙該區(qū)域鋼材塑性變形的發(fā)展。當(dāng)鋼材在低溫環(huán)境下工作時，有時殘余應(yīng)力與載荷引起的應(yīng)力疊加，使三向拉應(yīng)力的數(shù)值更加接近，從而增加鋼材在低溫下的脆性傾向，即鋼材會變脆。通常稱為“低溫冷脆現(xiàn)象”。 </p><p>　?。?）焊接殘余應(yīng)力的分布在厚度不大（δ<15-20mm）的常規(guī)焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力基本上是雙軸向的，厚度方

7、向上的應(yīng)力很小。只有在大厚度的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的應(yīng)力才比較大。焊接殘余應(yīng)力分別有焊縫方向的縱向應(yīng)力、垂直焊縫方向的橫向應(yīng)力和厚度方向的應(yīng)力。 </p><p>　　二、焊接殘余應(yīng)力的控制方法 焊接殘余應(yīng)力的控制,目標(biāo)是降低應(yīng)力的峰值并使其均勻分布,其措施如下:1.采用合理的焊接順序和方向盡量使焊縫能自由收縮，先焊收縮量比較大的焊縫。如帶蓋板的雙工字鋼構(gòu)件，應(yīng)先焊蓋板的對接焊縫，后焊蓋板和工字鋼之間的角焊縫，使

8、對接焊縫能自由收縮，從而減少殘余應(yīng)力。先焊工作時受力較大的焊縫，如在工地焊接梁的接頭時，應(yīng)先留出一段翼緣角焊縫最后焊接，先焊受力最大的翼緣對接焊縫，然后焊接腹板對接焊縫，最后再焊接翼緣角焊縫。這樣的焊接次序可以使受力較大的翼緣焊縫預(yù)先承受壓應(yīng)力，而腹板則為拉應(yīng)力。翼緣角焊縫留在最后焊接，則可使腹板有一定的收縮余地，同時也可以在焊接翼緣板對接焊縫時采取反變形措施，防止產(chǎn)生角變形。 </p><p>　　在拼板時，應(yīng)

9、先焊錯開的短焊縫，然后再焊直通長焊縫。如采用相反的次序，即先焊長焊縫，再焊短焊縫，則由于短縫的橫向收縮受到限制將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。在焊接交叉（不論是丁字交叉或十字交叉）焊縫時，應(yīng)該特別注意交叉處的焊縫質(zhì)量。如果在接近縱向焊縫的橫向焊縫處有缺陷（如未焊透等），則缺陷正好位于縱焊縫的拉伸力場中，造成復(fù)雜的三軸應(yīng)力狀態(tài)。 </p><p>　　2.在焊接封閉焊縫或其它剛性較大、自由度較小的焊縫時，可以采用反變形法來增加

10、焊縫隙的自由度。 </p><p>　　3.錘擊或輾壓焊縫每焊一道焊縫用帶小圓弧面的風(fēng)槍或小手錘錘擊焊縫區(qū)，使焊縫得到延伸，從而降低殘余應(yīng)力。錘擊應(yīng)保持均勻、適度，避免錘擊過份產(chǎn)生裂紋。采用輾壓法，也可有效地降低殘余應(yīng)力。 </p><p>　　4.在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位加熱使之伸長加熱區(qū)的伸長帶動焊接部位，使它產(chǎn)生一個與焊縫收縮方向相反的變形。在冷卻時，加熱區(qū)的收縮和焊縫的收縮方向相同，使焊縫能

11、自由地收縮，從而降低殘余應(yīng)力。利用這個原理可以焊接一些剛性比較大的焊縫，獲得降低殘余應(yīng)力的效果。如大皮帶輪或齒輪的某一輪幅需要焊修，為了減少殘余應(yīng)力，則在需焊修的輪幅兩側(cè)輪緣上進行加熱，使輪幅向外產(chǎn)生變形。焊縫在輪緣上，則應(yīng)在焊縫兩側(cè)的輪幅上進行加熱，使輪緣焊縫產(chǎn)生反變形，然后進行焊接，都可以取得良好的降低焊接殘余應(yīng)力的效果。 </p><p>　　三、焊后消除焊接殘余應(yīng)力的方法由于焊接殘余應(yīng)力的不利影響只有在一

12、定的條件下才表現(xiàn)出來。例如，對常用的低碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼來說，只有在工作溫度低于某一臨界值以及存在嚴重缺陷的情況下才有可能降低其靜載強度。要保證焊接結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂，是可以從合理選材、改進焊接工藝、加強質(zhì)量檢查、避免嚴重缺陷來解決的。消除焊接殘余應(yīng)力僅僅是其中的一種方法。 </p><p>　　1.傳統(tǒng)的熱時效（TSR）熱時效（退火處理）就是將構(gòu)件由室溫(或不高于150℃)緩慢、均勻加熱至550℃左右,保

13、溫4-8小時,再嚴格控制降溫速度至150℃，達到消除殘余應(yīng)力的目的。優(yōu)點：具有焊縫去氫、恢復(fù)塑性和消除殘余應(yīng)力三重功能。一般認為熱時效的消除殘余應(yīng)力效果為40－80％，可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生。缺點：一是由于受時效爐體積的限制，只能對構(gòu)件體積較小，重量不大的構(gòu)件進行TSR。二是成本較高，每噸結(jié)構(gòu)件的退火費用將高達人民幣600-800元，三是消除了拉應(yīng)力的不利影響的同時，也消除了壓應(yīng)力的有利影響。 </p><p

14、>　　2.沖砂除銹法消除殘余應(yīng)力因為沖砂除銹時，噴出的鐵砂束高達2500MP/cm&sup2;，用鐵砂束對構(gòu)件焊縫及其熱影響區(qū)反復(fù)、均勻的沖擊，除了達到除銹效果外，對構(gòu)件的殘余應(yīng)力消除亦將會起到良好的效果。 </p><p>　　3.進行局部烘烤釋放殘余應(yīng)力構(gòu)件完工后在其焊縫背部或焊縫兩側(cè)進行烘烤。此法過去常用于對“T”形構(gòu)件焊接角變形的矯正中，不需施加任何外力，構(gòu)件角變形即可得以校正。由此可見只要

15、控制加熱溫度與范圍，此法對消余殘余應(yīng)力是極為有效的。 </p><p>　　4.機械拉伸法機械拉伸法是通過加載拉伸，拉應(yīng)力區(qū)在外載的作用下產(chǎn)生拉伸塑性變形。它的方向與焊接時產(chǎn)生的壓縮塑性變形相反。因為焊接殘余應(yīng)力正是由于局部壓縮塑性變形引起的，加載應(yīng)力越高，壓縮塑性變形就抵消的越多，殘余應(yīng)力也就消除的越徹底。機械拉伸消除殘余應(yīng)力對一些焊接容器特別有意義。它可以通過液壓試驗來解決。液壓試驗根據(jù)不同的具體結(jié)構(gòu)，采用一

16、定的過載系統(tǒng)。液壓試驗的介質(zhì)一般為水，也可以用其它介質(zhì)。這里應(yīng)該指出的是液壓試驗介質(zhì)的溫度最好能高于容器材料的脆性斷裂臨界溫度，以免在加載時發(fā)生脆斷。對應(yīng)力腐蝕敏感的材料要慎重選擇試驗介質(zhì)。在試驗時采用聲發(fā)射監(jiān)測是防止試驗中脆斷的有效措施。 </p><p><b>　　結(jié)束語 </b></p><p>　　隨著鋼結(jié)構(gòu)在大型工業(yè)廠房中作為梁柱的使用，對鋼結(jié)構(gòu)的要求也越

17、來越高。如鋼結(jié)構(gòu)需滿足跨度大、穩(wěn)定性好、剛度大、抗彎性能好等要求。焊接作為鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方式，對焊接工藝和焊接質(zhì)量的要求也在不斷地提高。研究焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對鋼構(gòu)件的影響，通過合理的設(shè)計和制造以及相應(yīng)的措施減小焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對構(gòu)件的影響，將有效的提高鋼結(jié)構(gòu)的性能。 </p><p><b>　　參考文獻: </b></p><p>　　[1] 《鋼結(jié)