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焊接残余应力的控制与消除

作者：孙先锋等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
介绍了焊接残余应力产生的原因、分布情况、产生的影响以及残余应力的控制与消除方法，对不同方法的工作原理、适用范围和消应效果进行简要概述。 关键词:焊接残余应力；应力消除；


    一、焊接残余应力产生的原因
    对构件进行焊接时，在焊件上会产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。



    三、焊接残余应力对结构性能的影响
    焊接残余应力对结构的影响是不利的，主要表现在以下几个方面
    （1）对结构刚度的影响
    当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点σs时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。
    （2）对受压杆件稳定性的影响
    当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点σs，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。这就削弱了构件的有效截面面积，并改变了有效截面面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。
    （3）对静载强度的影响
    没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能是局部的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。
    （4）对疲劳强度的影响
    残余应力的存在使便合在的应力循环发生偏移。这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。
    （5）对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响
    机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的残余应力也被释放。残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。
    （6）对应力腐蚀开裂的影响
    应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀工作作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。
    四、焊接残余应力的控制与消除方法
    鉴于焊接残余应力的不利影响，必须采取措施控制其产生和进行部分消除，常用的焊接残余焊接应力控制方法有以下几种。
    1.利用焊接顺序和方向控制焊接残余应力
    利用焊接顺序控制残余应力在焊接中应用较为广泛。焊接顺序的确定一般遵循以下原则：先焊变形收缩大的焊缝，后焊变形收缩小的焊缝；先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝；先焊在工作时受力较大焊缝，后焊工作时受力较小的焊缝；对称施焊。
    2.利用降低结构局部刚度控制焊接残余应力
    构件刚度大，对焊接变形的约束大，焊后残余应力则越大。因此在条件许可时，焊前采取一定的工艺措施，将焊接区域的局部刚度降低，能有效的降低焊接残余应力。例如，一圆形封头补焊时，需加一塞块，如图4-1所示。因封头较厚又是封闭焊缝，所以焊接应力很大，焊后易出现裂纹，可在靠近焊缝处开两圈缓和槽，降低了接头处的局部刚度，使焊接应力大为降低。

    3.利用锤击焊缝区控制焊接残余应力
    焊接残余应力产生的根本原因是由于焊缝在冷却过程中的收缩，焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效的减少焊接残余应力。据测定，利用锤击法可使残余应力减少1/4~1/2。
    锤击焊缝时，焊接区域构件温度应当维持在100~150℃之间，或400℃以上，避免在200~300℃之间进行，因为此时金属正处于蓝脆阶段，若锤击容易造成断裂。
    多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外，每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹；最后一层通常焊的很薄，不锤击是为了避免冷作硬化。
    4.利用预热控制焊接残余应力
    焊缝与构件本体间温差越大，焊接残余应力也越大，焊前对构件进行预热，能减少温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。预热法一般用于合金钢、厚板、刚度大的构件焊接，构件整体预热效果最佳，但实施困难，一般采取局部预热的方式，即在焊缝及其两侧一定范围内进行加热。
    常用的预热方法有炉内整体加热、火焰加热、红外线加热、工频感应加热和电加热等。在建筑中国建筑金属结构信息网现场焊接常采用氧-乙炔或氧-丙烷火焰加热以及电加热法进行预热。

    5.利用“加热减应区法”控制焊接残余应力
    焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。
    6.利用高温回火消除焊接残余应力
    由于构件残余应力的最大值通常可以达到该种材料的屈服点，而金属在高温下屈服点将降低。所以将构件的温度升至某一定数值时，应力的最大值也减小到该温度下钢材的屈服点数值。如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以所取的回火温度接近这个温度。

    高温回火分为整体高温回火和局部高温回火，整体高温回火可将构件中80%~90%的残余应力消除掉，是生产中效果最好的一种消除残余应力的方法。各种金属材料的回火温度见表4-1。

    7.利用机械拉伸法消除焊接残余应力
    焊后对构件进行加载拉伸，产生拉伸塑性变形，使它的方向和压缩残余变形相反，使压缩残余变形减小，焊接残余应力就随之同步减小，这种方法叫机械拉伸法。
    8.利用温差拉伸法消除焊接残余应力
    温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。
    温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热，在焊炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动，如图4-5所示。这就形成了一个两侧温度高（峰值约为200℃）、焊接区温度低（约为100℃）的温度差。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，这样可消除部分残余应力。据测定，温差拉伸法可消除残余应力50%~70%。温差拉伸法的参数见表4-2


    9.利用振动法消除焊接残余应力
    构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。
    振动法的优点是设备简单、成本低（与热处理时效相比），工效高，没有高温回火时的氧化问题，消除应力主要在工厂进行，VSR时效振动法对于长度在10m以内，重量20吨以下的钢构件应力的消除特别有效，已在生产上得到一定应用。



    10.利用爆炸法消除焊接残余应力
    通过布置在焊缝附近的炸药带，引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，从而消除部分残余应力的方法叫爆炸法。采用爆炸法时炸药带的数量及安放位置，如图4-9所示。

    三峡水电站大型压力钢管焊后采用了爆炸法消除焊接残余应力。其消应效果如图4-10横向和纵向的残余应力均有大幅降低，消除应力效果明显。

    11.焊接接头的设计优化
    为实现焊接顺序的总思路，从设计的角度上对接头进行优化，其着眼点就是降低约束度。
    (1) 正确布置焊缝，焊缝不要布置在工作应力最大的区域，在拉应力区尽量减少几何的不连续性；
    (2) 避免复杂的多构件连接；
    (3) 尽量较少焊缝的数量及其尺寸，尤其是角焊缝的焊角尺寸S，尽量不要超过最小焊角尺寸（线能量E与S2成正比，S越大线能量E就越大，应力应变就加大）。
    五、结束语
    残余应力是焊接行业内一直在研究的课题，目前建筑中国建筑金属结构信息网安装单位通过控制焊接顺序、焊接节点的坡口形式、焊前预热、焊接过程中的锤击以及后热保温等措施来减小焊接残余应力对结构的不利影响。随着新型设备的开发，将会有更加高效、方便的方法应用于中国建筑金属结构信息网焊接残余应力消除。


    参考文献
    ［1］局部低温热处理消除焊接残余应力方法研究，赵维义，刘烈全，2001
    ［2］爆炸处理消除X70管线环焊缝焊接残余应力的研究，李荣锋等，2002
    ［3］加热温度对Fe-Cr-Co马氏体耐热钢组织和性能的影响 李巨川;顾家琳;贾崇林,2005
    ［4］磁处理对低碳钢焊接残余应力作用规律的试验研究，林健等，2006
    ［5］预热处理工艺对20CrMnSiNi2A钢组织性能的影响, 邹安全　王水泉　邓沛然,2007
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