焊接殘余應(yīng)力的控制和消除

說(shuō)起焊接，最直觀的印象就是焊渣四濺的火熱場(chǎng)面。如果給它一個(gè)相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，焊接是指通過(guò)采用物理或化學(xué)的方法，使分離的材料產(chǎn)生原子或分子結(jié)合，形成具有一定性能要求的整體的一種加工工藝。

殘余應(yīng)力是在無(wú)外力作用時(shí)，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。各種機(jī)械工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會(huì)使工件內(nèi)出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力。[2]殘余應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因是物體內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻的彈塑性形變。

將上述兩個(gè)關(guān)鍵詞疊加，就是本文的關(guān)注對(duì)象焊接殘余應(yīng)力。由于焊接時(shí)局部不均勻熱輸入，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及顯微組織狀態(tài)發(fā)生快速變化，容易產(chǎn)生不均勻彈塑性形變，因此采用焊接工藝加工的工件較其他加工方式而言受到殘余應(yīng)力作用的影響較為突出。

焊接殘余應(yīng)力是焊件產(chǎn)生變形、開(kāi)裂等工藝缺陷的主要原因，焊接變形在制造過(guò)程中危及形狀與尺寸公差、接頭安裝偏差和增加坡口間隙，使制造過(guò)程更加困難；焊接殘余應(yīng)力可使焊縫特別是定位焊縫部分或完全斷開(kāi)；機(jī)械加工過(guò)程中釋放的殘余應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生不允許的變形。同時(shí)，焊接殘余力可能引起結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低疲勞強(qiáng)度和腐蝕抗力，壓縮殘余應(yīng)力會(huì)減小穩(wěn)定性極限。[2]因此，焊接殘余應(yīng)力一直是焊接界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。
 

圖1 焊接殘余應(yīng)力的危害

一、焊接殘余應(yīng)力形成機(jī)制

想要找對(duì)控制和消除焊接殘余應(yīng)力的方法，首先需要認(rèn)識(shí)其形成機(jī)制作為基礎(chǔ)。焊接是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，其中的物理現(xiàn)象包括傳熱、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變等，焊接殘余應(yīng)力的形成也是多種因素交互作用的結(jié)果，因此關(guān)于其形成機(jī)制的研究也歷經(jīng)了不斷發(fā)展完善的過(guò)程。焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制理論認(rèn)知演化過(guò)程如圖2所示。

 
圖2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制理論演化過(guò)程

20世紀(jì)70年代初期大致奠定了焊接殘余應(yīng)力和變形理論的基礎(chǔ)。蘇聯(lián)的H.O.奧凱爾布朗姆和C.A庫(kù)茲米諾夫的著作里提出了一維條件下的殘余塑變理論，即認(rèn)為焊接加熱過(guò)程中焊縫和近縫區(qū)的金屬熱膨脹應(yīng)變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。焊接冷卻過(guò)程中該壓縮塑性應(yīng)變被拉伸抵消一部分，但焊后仍殘留部分壓縮塑性應(yīng)變，稱為殘余壓縮塑性應(yīng)變。

上述一維條件下的殘余塑變理論假定焊縫處一直就是原來(lái)工件的一部分，經(jīng)歷了加熱和冷卻的全過(guò)程。2000年，有學(xué)者對(duì)上述殘余塑變理論提出質(zhì)疑，認(rèn)為該理論忽略了一個(gè)基本事實(shí)，即大多數(shù)情況下焊縫處由熔化的金屬填充，焊縫可以說(shuō)是直接從高溫冷卻下來(lái)的，僅經(jīng)歷了冷卻過(guò)程。認(rèn)為焊縫處從高溫冷卻下來(lái)受到周圍的拘束只會(huì)產(chǎn)生拉伸塑性應(yīng)變，并從此角度出發(fā)解釋消除焊接殘余應(yīng)力的原理，認(rèn)為消除應(yīng)力的過(guò)程實(shí)質(zhì)就是將拉伸彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變成拉伸塑性應(yīng)變的過(guò)程。[6]
2002年，有學(xué)者通過(guò)分析兩端拘束桿件和長(zhǎng)板條焊件的一維簡(jiǎn)化模型，首先認(rèn)同了傳統(tǒng)殘余塑變理論，即假定焊縫本身經(jīng)受加熱和冷卻過(guò)程，完全冷卻后焊縫處存在殘余壓縮塑性應(yīng)變。對(duì)于焊縫是填充金屬直接從高溫冷卻下來(lái)的假設(shè)情況，則由于熱收縮應(yīng)變被冷卻過(guò)程中的拉伸塑性應(yīng)變抵消一部分，完全冷卻后焊縫處存在殘余熱收縮應(yīng)變。通過(guò)分析，殘余壓縮塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變兩者是等價(jià)的。該理論解釋了無(wú)坡口焊縫工件與有坡口填充焊縫工件焊接時(shí)殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生的結(jié)果完全類似的現(xiàn)象。引入“固有應(yīng)變”概念，認(rèn)為焊接殘余應(yīng)力是在固有應(yīng)變?cè)醋饔孟聵?gòu)件自動(dòng)平衡的結(jié)果。

 
圖3 長(zhǎng)板條焊接時(shí)應(yīng)力應(yīng)變
 

2003年，又有學(xué)者對(duì)前述觀點(diǎn)產(chǎn)生質(zhì)疑，認(rèn)為雖然殘余壓縮應(yīng)變和殘余收縮應(yīng)變?cè)趯?dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的作用方面是等價(jià)的，但其本質(zhì)卻有不同，區(qū)別二者對(duì)焊接殘余應(yīng)力形成過(guò)程的貢獻(xiàn)是有意義的，對(duì)于研究和開(kāi)發(fā)新的焊接殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)有指導(dǎo)作用。在不考慮相變的情況下，除了傳統(tǒng)機(jī)理所描述的母材中的壓縮塑性變形引起焊接殘余應(yīng)力之外，焊縫金屬冷卻時(shí)的收縮受到制約也是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因。該學(xué)者認(rèn)為在不考慮相變應(yīng)變時(shí)，焊縫處的固有應(yīng)變應(yīng)為塑性拉伸應(yīng)變。

 
圖4 低碳鋼焊接時(shí)縱向應(yīng)力應(yīng)變分布

圖中下部剖面線區(qū)域?yàn)樗苄岳靺^(qū)。圖中所描述的板上堆焊模型只適于描述堆焊耐磨層等場(chǎng)合。

總結(jié)起來(lái)，對(duì)于焊縫處的殘余應(yīng)力，有壓縮塑性應(yīng)變和拉伸塑性應(yīng)變之爭(zhēng)，對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí)在認(rèn)同或質(zhì)疑中不斷加深。若僅就其內(nèi)拘束度的效果而言，焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理可表述如下：焊接熱輸入引起材料不均勻局部受熱，使焊縫區(qū)熔化；而與熔池毗鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性形變；在冷卻過(guò)程中，已發(fā)生塑性變形的這部分材料（如長(zhǎng)焊縫的兩側(cè)）又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上被拉伸形成拉應(yīng)力；與此同時(shí)，熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時(shí)也將產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力。

二、焊接殘余應(yīng)力控制和消除

要達(dá)到降低焊接工件殘余應(yīng)力的目的，可以考慮兩個(gè)方面：一個(gè)是控制焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，從源頭上減小殘余應(yīng)力；二是在焊后通過(guò)方法消除殘余應(yīng)力。

2.1焊接殘余應(yīng)力控制

控制焊接殘余應(yīng)力，即在焊接結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中采取一些適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p小焊接殘余應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，可以從設(shè)計(jì)和工藝兩方面著手，設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，在不影響結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，應(yīng)盡量考慮采用減小和改善焊接應(yīng)力的設(shè)計(jì)方案；另外，在制造過(guò)程中還要采取一些工藝措施，以使焊接應(yīng)力減小到最低程度。焊接殘余應(yīng)力控制方法總結(jié)如圖5所示。

 
圖5 焊接殘余應(yīng)力控制方法

例：焊接結(jié)構(gòu)和順序?qū)附託堄鄳?yīng)力影響

有學(xué)者采用有限元分析焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響。采用有限元分析軟件MSC.Marc，對(duì)使用高強(qiáng)鋼制造的工程機(jī)械常用局部加強(qiáng)貼板焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬計(jì)算分析。經(jīng)過(guò)對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)和焊接順序的計(jì)算，對(duì)比分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)拘束和焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力有重要影響，局部加強(qiáng)貼板增加結(jié)構(gòu)拘束度，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力增大；先焊主結(jié)構(gòu)，再焊局部加強(qiáng)貼板，焊接殘余應(yīng)力最大。因此，合適地設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序有利于降低結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力，提高焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。

 
圖6 焊接殘余應(yīng)力與徑向位置的關(guān)系曲線

A結(jié)構(gòu)有加強(qiáng)環(huán)，B結(jié)構(gòu)無(wú)加強(qiáng)環(huán)；1和2結(jié)構(gòu)焊接順序不同。

2.2焊接殘余應(yīng)力消除

殘余應(yīng)力的消除方法可分為機(jī)械作用方法和熱作用方法。機(jī)械的方法是利用外力使材料內(nèi)產(chǎn)生塑性變形來(lái)達(dá)到降低殘余應(yīng)力的目的。理論上講，只要外力使性質(zhì)均勻的構(gòu)件整體同時(shí)達(dá)到屈服，全部消除殘余應(yīng)力是可能的。但實(shí)際上由于種種困難，用這種方法想把應(yīng)力完全消除是難以實(shí)現(xiàn)的。用熱作用消除殘余應(yīng)力與蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象有密切關(guān)系。用熱作用去除殘余應(yīng)力時(shí)，只要退火溫度和保溫時(shí)間適宜，應(yīng)力是完全可以消除的，但與此同時(shí)卻會(huì)造成材料硬度和其他機(jī)械性能下降，并且因熱作用而產(chǎn)生的組織變化也是不可避免的。焊接殘余應(yīng)力消除方法總結(jié)如圖7所示。

 
圖7 焊接殘余應(yīng)力消除方法

例：焊后熱處理對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響

有學(xué)者研究了焊后熱處理對(duì)20MnNiMo焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。制定焊接方案和焊后熱處理方案，并通過(guò)盲孔法對(duì)焊接接頭表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定和記錄，研究得到了焊后熱處理對(duì)20MnNiMo厚板焊接接頭殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明，焊后去應(yīng)力退火可以很好的減小20MnNiMo厚板焊接殘余應(yīng)力，去應(yīng)力效果顯著，可以很好地改善20MnNiMo焊接殘余應(yīng)力的分布。

 
圖8 焊態(tài)和退火后殘余應(yīng)力分布圖

傳統(tǒng)方法里，焊接工藝中方案設(shè)計(jì)、工藝制定等更多依賴于設(shè)計(jì)施工人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，最佳工藝方案和焊接參數(shù)的篩選等工作需要在車間或?qū)嶒?yàn)室里進(jìn)行大量的試驗(yàn)工作，對(duì)人力、物力和時(shí)間都是浪費(fèi)。隨著焊接領(lǐng)域研究的不斷深入發(fā)展，學(xué)者們一直不斷將各種基礎(chǔ)理論的新成果引入到焊接過(guò)程的研究中，使得焊接工藝過(guò)程中的很多現(xiàn)象不僅可以從本質(zhì)上進(jìn)行理論解釋，還可以進(jìn)行定量分析、模擬和理論預(yù)測(cè)，這就為焊接過(guò)程模擬技術(shù)提供了基礎(chǔ)。目前，焊接過(guò)程模擬技術(shù)已成為焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可以模擬焊接過(guò)程溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，為殘余應(yīng)力控制和消除提供了理論指導(dǎo)。

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