浅析焊接应力的控制与消除方法

2022-05-11耿汉学GENGHanxue

价值工程 2022年17期

耿汉学 GENG Han-xue

（中国石化集团南京化学工业有限公司，南京 210048）

0 引言

焊接残余应力对焊接结构的使用性能有一定影响，容易引起结构的脆性断裂，而拉伸残余应力与压缩残余应力会分别产生影响，前者即会降低疲劳强度，后者即会减小稳定性极限，因此焊接残余应力会直接导致焊接件变形和开裂。在焊接过程中，由于存在着诸多的不确定因素，所以对焊接残余应力的具体测定非常繁琐，这也使相关研究难上加难，所以不断深入研究焊接结构的残余应力是非常有必要的。在实际焊接操作的过程中，焊接结构的获取往往是依靠经验或者实验，而在科学技术飞速发展的当下，新工艺层出不穷，如果仅仅凭借经验或实验，或许要花费大量的人力物力财力，而最终获得的焊接结构也已经过时，由此也会造成严重的经济损失。通过利用计算机技术，发挥计算机模拟的优势作用，在实际的模拟中，可以通过验证试验来验证数值是否适用，而对于焊接工艺、设计、参数的相关设置和筛选，都通过计算机来独立完成，不仅节省了时间，也腾出了大量的人力来投入到其他的重要工作中，对经济效益的提升起着积极的促进作用。

1 焊接应力概念

焊接应力是产生于焊接的过程中，焊接件内部的结构应力，当焊接操作完成之后，焊接件内部会存在一定的焊接应力。焊接应力会伴随着焊接过程的进行而发生一定的变化，其分布没有一定的规律可循，由于焊接件本身的一些因素，在焊接过程中焊接应力也会随之变化。

2 产生焊接应力的原因

2.1 焊接件受热不均匀

在具体焊接的过程中，焊接应力的产生和变形，是由于在焊接中实际操作不均匀，在焊接中的焊接件位置引焊接操作实施所产生热涨，而在没有焊接的位置则没有产生热涨，因此热涨变形受到了相应的阻碍，最终在焊接完成后，会产生焊接变形以及焊接应力。

2.2 焊接金属出现收缩

焊接的过程即为融化焊接的材料，之后进行金属的填充，其在一般的常态下为全塑的状态，而在整个焊接过程中，自身会发生变形，但不会拉动其他材料的变形，由此产生金属收缩，以及金属变形和焊接应力。

2.3 焊接件刚性约束

在焊接过程中，焊接变形以及焊接应力的产生，与焊接件的刚性约束有着一定的关系，焊接件的刚性越大，则发生焊接变形以及焊接应力的概率就越小，反之亦然，因此焊接件刚性约束与焊接变形、焊接应力之间是反比关系。

2.4 其它因素导致焊接残余应力产生

在具体的焊接操作过程中，产生焊接残余应力的因素有很多，如热源、材料、刚性约束等，同时还伴有其他因素的影响。在焊接前期，对钢结构的局部零件进行轧制，对焊接过程也会产生相应的影响，从而导致焊接残余应力的产生，所以在焊接时，要从多方面进行考虑，综合多种因素，由此来降低和消除残余应力的产生，从而保障机械强度。

3 焊接应力对焊接结构的影响及危害

3.1 对结构刚度的影响及危害

一般情况下，外载产生的应力与结构中某区域的残余应力两者之和接近屈服点后，在该区域中的材料会发生变形，同时也不再能承受外载力，对结构刚度产生一定的影响，结构刚度会大大降低。当结构中有横向焊缝、纵向焊缝、火焰校正等，在截面上会有残余拉伸应力，而这时应将残余拉伸应力与构件的内应力进行叠加，两者叠加之和达到屈服点，则直接产生变形，结构刚度也会由此降低。

3.2 对受压杆件稳定性的影响及危害

在外载引起的压应力和残余应力中压应力两者之和接近屈服点后，而该区域截面的外载能力将会进一步降低，而杆件的有效截面积也会因此削弱，有效截面积的分布也发生了根本性的变化，稳定性也随之发生变化。残余应力的分布，对受压杆件的稳定性产生着直接性的影响。对于接头构件中的应力而言，其稳定性与应力有着直接的关系，在实际的加工过程中，由于构件的部分要被去除，因此构件发生了外观上的变化，而构件自身的稳定性也与之前发生了一系列变化，因此对接头构件的精度也会产生相应影响。

3.3 对静载强度的影响及危害

如果构件中的材料为脆性的材料，则塑性变形将无法进行，一旦外力的不断增大，则构件中的应力无法达到均匀化，而此时的应力峰值在增大，并逐渐接近材料的屈服极限，则局部极容易被破坏，而后会发生构件的断裂。由于脆性材料中存在着残余应力，其承载能力会大大降低，断裂也会随之发生。低温条件下的塑性材料，三向拉伸残余应力的存在，塑性变形较难发生，如果接头为干脆性状态，则焊接残余应力与外载作用力两者会进行叠加，从而降低构件的承载能力，最终产生断裂。

3.4 对疲劳强度的影响及危害

残余应力能够使变荷载应力循环发生一定的变化，而此偏移变化会对平均值产生一定影响，不会影响其幅值。应力循环与结构的疲劳强度有着密切的联系，一旦应力循环平均值降低，则幅值会相应增加，反之应力循环平均值增加，则幅值会相应降低。所以，应力处一旦存在拉伸残余应力，则疲劳强度也会因此降低，应力集中系数与残余应力两者之间呈现正比例关系。因此如何提高疲劳强度，则要从残余应力进行分析，可以从设计和工艺上进行着手，由此来降低应力集中系数，从而降低其对疲劳强度的影响和危害。在对构件荷载试验的过程中，残余应力对疲劳强度产生着较大的影响，其能够使接头达到疲劳强度的极限，最终影响构件的质量。

3.5 对应力腐蚀开裂的影响及危害

应力腐蚀开裂，其开裂的原因即为残余拉应力与化学腐蚀的共同作用，当接头焊接完成之后，拉应力也会随之产生，而在遇到腐蚀性强的介质时，就会在两者的共同作用下产生构件开裂现象。残余应力的大小，与应力腐蚀开裂有着密切的联系，具体而言是决定腐蚀开裂的时间，较大的残余应力，则开裂所需的时间也较短，反之则开裂需要更多的时间，一旦发生应力腐蚀开裂，则构件整体的稳定性会受到相应影响，而构件自身的质量也会受影响。

4 焊接应力控制方法

4.1 焊接结构

焊接残余应力由焊接结构所导致，减少焊接量是降低应力的最有效方式，而减少焊缝数，减少焊缝尺寸等都能够达到减少焊接量的目的。在相同的焊接强度之下，较小的焊缝尺寸比大焊缝尺寸的残余应力要小很多。另外，这里应该注意的是，尽量避免焊缝的集中，焊缝距离较近，焊缝间容易产生耦合，从而形成残余应力场，一般情况下焊缝间的距离应不小于100mm，同时大于3倍板厚。与此同时，要采用刚度小的焊接接头，这样结构的拘束度较小，从而形成的残余应力较小。

4.2 焊接工艺

在焊接的过程中，影响焊接应力的主要因素有：焊接前的预热、焊接的参数、焊接的顺序、结构组件拆分等。焊接前的预热，能够缓解焊接过程中的温度过低或过高，使温度趋向平缓，从而确保不同焊接部位变形差异的稳定性，最终降低焊接残余应力。焊接前的预热温度，与金属的材料、结构刚性、散热情况有着密切的联系，其要根据材质的不同特性来确定预热温度，温度的差异越小，则焊缝区与整体结构才能够更加均匀的冷却，从而达到减少残余应力的目的，此种方式的应用，一般是脆性材料或刚性较大的焊接件。焊接参数的设置，对热输入有着重要的影响，小参数的设置，在焊接过程中热输入量也较小，塑性变形区也会相应减少，最终降低残余应力。对于焊接的顺序而言，要能够确保焊缝的横向和纵向收缩自如，通过控制焊接变形来降低焊接的残余应力。在条件允许的情况下，焊接中应采取下述措施：即在焊接收缩量大的接头后，再焊接收缩量小的；在焊接完短焊缝后，再焊接长焊缝；先焊接结构中心，再焊接结构外部等等，以达到减少焊接残余应力的目的。在焊接前，将结构组件进行合理的拆分，并在组件上完成焊接，鉴于组件的刚度较小，在焊接的过程中，结构能自由变形，所以可以根据焊接变形由此来减少残余应力。

4.3 消除焊接应力的方法

消除焊接应力的方法主要包含六种，以下针对几种方法进行了简要阐述。

4.3.1 锤击法

锤击法，通过锤击法对残余应力进行控制，由于焊接残余应力是焊缝冷却时所产生，所以通过应用锤击法，对焊缝和焊缝周边进行锤击，使金属慢慢展开，由此来降低残余应力。

4.3.2 震动法

震动法，通过震动来消除残余应力，当构件的承受荷载到达了一定数值，并在多次循环下通过震动能够有效降低结构中的应力。此种方法所需要的成本不高，时间也较少，因此较多的用在不锈钢、碳素钢的内部应力消除上，且所取得的效果非常显著。

4.3.3 整体高温回火（消除应力退火）

此方法是加热整体的焊接结构，并能够持续保温一段时间，接着再冷却。对于相同的材料而言，应力消除的是否彻底，与回火温度和时间有着密切联系。通过利用整体高温回火，能够消除80%-90%的残余应力。该方法也有其自身的缺点，即如果焊接结构较大，则需要较大的回火炉，而相对的投资费用也会增加。

4.3.4 机械拉伸法

在焊接件焊接完成后，会产生不同程度的压缩残余变形，即残余应力的产生，所以通过机械拉伸法，可以起到有效的加载拉伸，减少压缩参与变形的发生，从而降低和消除残余应力。

4.3.5 温差拉伸法（低温消除应力法）

基本原理与机械拉伸法相同。

温差拉伸法与机械拉伸法的原理大致相同，即为在焊缝两侧加热到150～200℃，然后用水冷却使焊缝区域受到拉伸塑性变形，由此来控制焊缝纵向残余应力，此种方法往往用于焊缝比较规则、厚度不大（＜40mm）的板、壳结构。

4.3.6 局部高温回火

对焊接过程中的焊缝及周边区域进行加热，由此来减少和消除应力，局部高温回火与整体高温回火相比，其所使用的设备简单，固该方法普遍用于结构简单的焊接结构。

5 应用案例

锤击法，在消除应力的众多方法中，其有着自身独特的优势，即操作较为简便，施工不受限定条件的约束，能够最大程度的节省能源，成本实现了最低化，效率得到了提高。在锤击法使用的过程中，也有其自身的一些弊端，传统锤击法即通过手锤来进行锤击，具有较大的劳动强度，而在操作过程中存在着随意性，规范程度也不够，所以锤击法也使用过程中也存在着诸多的限制。以下对锤击参数与消除应力效果之间的关系进行了系统的试验分析，从而对锤击在消除残余应力中的实际应用作了进一步研究，为相关研究工作者提供了可行性的参考依据，对锤击处理的进一步研究有着重要意义。

5.1 试验材料、方法及设备

5.1.1 焊接试验

试件采用低碳钢，尺寸如图1所示。

图1 试样尺寸示意图

在试件的中心位置钻孔，其尺寸为φ20×5mm，在此次焊接试验中，其中焊接材料所采用的是E4303，相对直径尺寸为φ4.0mm，而将U=28～32V，I=190～210A设置为焊接的工艺参数。

5.1.2 锤击试验

将试样进行焊接完成之后，对其中的残余应力进行相应的测试，接着采用锤击方法开始试验。对残余应力的影响，以不同的锤击时间为分析点，从而进行锤击处理，选取的锤击时间分别为：1min，3min和5min，在不同锤击时间下，对残余应力的变化情况进行对比分析。

5.2 锤击参数对残余应力的影响

在采用锤击处理方法消除残余应力的过程中，而锤击参数对其有着一定的影响，锤击参数包含：锤击时间、频率和大小，锤头的性状和尺寸等等。在本次研究试验中，主要对锤击时间这个参数对于焊接残余应力效果的影响。

锤击时间的长短，与锤击处理效果有着密切的联系，即锤击时间越长，焊缝所发生的塑性变形也会越大，而拉伸应力会因此降低，锤击时间分别为1min，3min和5min时，其应力的变化是非常明显的，具体在分布图可以看出，如图2。从图2中，不同锤击时间下的应力幅值呈现一定的规律，即焊接金属的变形随着锤击时间的增加而增大，由此可以降低焊缝的残余应力。在熔合线处（r=0），锤击时间和应力降低幅值之间的关系如图3。

图2 不同锤击时间下的应力幅值降低分布图（冲击功为4.8J）

图3 锤击时间对残余应力的影响

从图3中能够明显看出，在锤击时间增加的过程中，残余应力的降低幅值也会随之增大，消除残余应力也呈现出较好的效果，但是残余应力降低幅值增加的速度也相应发生了变化，即呈现变缓趋势。从图3中能够明显看出，锤击时间从0-1，1-3，3-5（单位：min）的变化中，其应力降低幅值增加分别为：130，30，9（单位：MP），造成这种现象的原因主要是由于加工硬化所导致，随着锤击时间的增加，在锤击处的金属由于加工硬化而越来越严重，其此处的强度和变形抗力也会因此增大，在塑性变形中会越来越难。

如果焊缝的金属是塑性较差的材料，则一旦锤击过度，则会超过焊缝的塑性极限，同时就会出现不同程度的裂纹，形成焊缝隐患。与此同时，锤击的时间长会加重焊缝金属的加工硬化，从而使塑性变形变得越来越困难。因此，通过上述试验可以得出，在采用锤击法消除残余应力的过程中，锤击的时间最好控制在1min以内。