焊接殘余應(yīng)力分析及消除焊接應(yīng)力方法總結(jié)

發(fā)布時(shí)間：2017-11-13　　瀏覽：157次

一、什么是焊接應(yīng)力

焊接應(yīng)力，是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。

焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場(chǎng)以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場(chǎng)尚未消失時(shí)，焊件中的這種應(yīng)力和變形稱為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形；焊接溫度場(chǎng)消失后的應(yīng)力和變形稱為殘余焊接應(yīng)力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會(huì)影響焊件的功能和外觀。

二、焊接應(yīng)力的危害

焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊件有 6個(gè)方面的影響：

① 對(duì)強(qiáng)度的影響：如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在嚴(yán)重的缺陷，而焊件又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作，則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強(qiáng)度降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，如果在應(yīng)力集中處存在著殘余拉應(yīng)力，則焊接殘余拉應(yīng)力將使焊件的疲勞強(qiáng)度降低。焊件的疲勞強(qiáng)度除與殘余應(yīng)力的大小有關(guān)外，還與焊件的應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)[6][min]/[6][max]和循環(huán)應(yīng)力的**大值[6][max]有關(guān)其影響隨應(yīng)力集中系數(shù)的降低而減弱，隨[6][min]/[6][max]的降低而加劇，隨[6][max]的增加而減弱。當(dāng)[6][max]接近于屈服強(qiáng)度時(shí)，殘余應(yīng)力的影響逐漸消失。

② 對(duì)剛度的影響：焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力相疊加，可能使焊件局部提前屈服產(chǎn)生塑性變形。焊件的剛度會(huì)因此而降低。

③ 對(duì)受壓焊件穩(wěn)定性的影響：焊接桿件受壓時(shí)，焊接殘余應(yīng)力與外載所引起的應(yīng)力相疊加，可能使桿件局部屈服或使桿件局部失穩(wěn)，桿件的整體穩(wěn)定性將因此而降低。殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性的影響取決于桿件的幾何形狀和內(nèi)應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力對(duì)非封閉截面（如工字形截面）桿件的影響比封閉截面（如箱形截面）的影響大。

④ 對(duì)加工精度的影響：焊接殘余應(yīng)力的存在對(duì)焊件的加工精度有不同程度的影響。焊件的剛度越小，加工量越大，對(duì)精度的影響也越大。

⑤ 對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響：焊接殘余應(yīng)力隨時(shí)間發(fā)生一定的變化，焊件的尺寸也隨之變化。焊件的尺寸穩(wěn)定性又受到殘余應(yīng)力穩(wěn)定性的影響。

⑥ 對(duì)耐腐蝕性的影響：焊接殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力一樣也能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。

焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的影響：焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力，在構(gòu)件服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，不但會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫變開裂的能力。

三、焊接應(yīng)力的消除方法

目前采用的消除應(yīng)力的失效方法有振動(dòng)時(shí)效（消除30%~50%的應(yīng)力）、熱時(shí)效（消除40%~70%的應(yīng)力）豪克能PT時(shí)效（消除80%~100%的應(yīng)力）。

預(yù)熱

對(duì)重要的焊接構(gòu)件**行整體熱時(shí)效，然后再現(xiàn)場(chǎng)與其他構(gòu)件進(jìn)行組合焊接的拼焊工藝是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造常采用的方法。其具有焊縫去氫、恢復(fù)塑形和消除應(yīng)力的三重功能。一般認(rèn)為熱時(shí)效的消除應(yīng)力的效果為40%以上。

?重熔

焊趾缺陷是一種焊道融合線上中難以避免的小而尖銳、連續(xù)的缺陷，往往成為結(jié)構(gòu)疲勞破壞的裂紋源。

常采用TIG重熔工藝對(duì)焊趾進(jìn)行修整，重建裂紋起裂前的狀態(tài)，降低由于焊趾缺陷所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以延長(zhǎng)疲勞壽命。同時(shí)TIG重熔也能改善焊縫區(qū)的橫向殘余應(yīng)力；重熔對(duì)于焊縫縱向殘余應(yīng)力的改善不明顯，殘余應(yīng)力絕對(duì)值下降不大；但對(duì)于縱向殘余應(yīng)力的均勻分布有一定效果。但對(duì)橫向殘余應(yīng)力有明顯的改善效果，殘余應(yīng)力的絕對(duì)值下降明顯而且分布趨于均勻。

振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效是對(duì)構(gòu)件施加交變應(yīng)力，與構(gòu)件上的殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，發(fā)生局部的宏觀和微觀塑性變形；這種塑形變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力**大和構(gòu)件應(yīng)力集中點(diǎn)，使這里的殘余應(yīng)力得以釋放，達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的作用。

盡管振動(dòng)時(shí)效設(shè)備不具備去氫和恢復(fù)塑形的功能，但從尺寸穩(wěn)定性比較，已經(jīng)達(dá)到和超過熱時(shí)效的水平；振動(dòng)時(shí)效是一種以消除應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性為目的替代熱時(shí)效的**工藝。

振動(dòng)焊接

振動(dòng)焊接又稱為振動(dòng)調(diào)制焊接、隨焊振動(dòng)；在振動(dòng)時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)附錄中，已確認(rèn)為可與振動(dòng)時(shí)效進(jìn)行組合的工藝之一。其不改變?cè)械暮附庸に嚕诤附舆^程中，通過激振器對(duì)構(gòu)件注入頻率和振幅可控的振動(dòng)，即形成振動(dòng)焊接。這種振幅的振動(dòng)，勢(shì)必對(duì)焊接熔池和熱影響區(qū)產(chǎn)生一定的作用：

（1）、當(dāng)焊縫在金屬熔融狀態(tài)下，由于振動(dòng)使氣泡、雜質(zhì)等容易上浮、排除。

（2）、再結(jié)晶過程中振動(dòng)晶粒，有利于晶粒細(xì)化；

（3）、溫度大于600攝氏度的區(qū)域，材料在強(qiáng)度逐步恢復(fù)、冷卻的過程中，伴隨振動(dòng)的熱塑性變形，使逐步得到的焊接殘余應(yīng)力降低和均化，以減少焊接變形和焊接裂紋的形成。