焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的研究

王蘋

【摘 要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對各類焊接零部件的技術(shù)要求越來越高。而在一些零件進(jìn)行焊接加工時(shí)，焊接作業(yè)所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對零部件的性能影響非常大，甚至有時(shí)候會(huì)使零部件報(bào)廢。因此，對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行研究并設(shè)法消除，是提高零部件焊接品質(zhì)的重要途徑。

【關(guān)鍵詞】焊接結(jié)構(gòu)；殘余應(yīng)力；消除方法

0.引言

人們對焊接應(yīng)力的認(rèn)識由來已久，但對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究時(shí)間并不長。通俗來說，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由焊接時(shí)零部件受熱不均勻，而導(dǎo)致零部件內(nèi)部受熱產(chǎn)生的向外膨脹的力。而在焊接后的零部件冷卻階段，在零部件會(huì)有一定的應(yīng)力殘留，即所謂的殘余應(yīng)力。它對零部件的結(jié)構(gòu)性能影響很大，必須設(shè)法消除。

1.焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對零部件的不良影響分析

1.1殘余應(yīng)力對零部件疲勞強(qiáng)度的影響分析

所謂零部件的疲勞強(qiáng)度，是指零部件在使用過程中能夠保證基本性能不發(fā)生重大變化的時(shí)間，有時(shí)候也被稱為疲勞壽命，它是檢驗(yàn)零部件性能的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)一項(xiàng)研究，零部件疲勞強(qiáng)度受零部件材料、加工工藝以及焊接殘余應(yīng)力等因素的影響較大。其中，焊接殘余應(yīng)力所構(gòu)成的影響最大。也就是說，一個(gè)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度與焊接的應(yīng)力循環(huán)有關(guān)，當(dāng)一個(gè)構(gòu)件的焊接的應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時(shí)，它的極限就會(huì)有所降低，所以說如果在構(gòu)件的應(yīng)力上存在著焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，那么這個(gè)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度則會(huì)大大地降低。而且，如果這種焊接殘余應(yīng)力的值達(dá)到了一定的程度，超過了零部件所能承受的最大限度，就會(huì)從根本上破壞零部件的結(jié)構(gòu)性能，也就是說會(huì)使加工的零件失去使用價(jià)值。因此，如果想讓零部件的疲勞強(qiáng)度增大，就應(yīng)當(dāng)設(shè)法減小殘余應(yīng)力。

1.2殘余應(yīng)力對零部件的穩(wěn)定性的影響分析

無論在課堂上還是在實(shí)際生活中，我們都知道，每一種材料都有它自身的穩(wěn)定性。生產(chǎn)零部件所使用的材料也不例外。當(dāng)零部件受到各種壓力、彎壓時(shí)，構(gòu)件就會(huì)出現(xiàn)各種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，比如說受壓桿件會(huì)不穩(wěn)定、焊件加工精度和尺寸會(huì)不穩(wěn)定等。而根據(jù)研究，當(dāng)零部件受到焊接殘余應(yīng)力的影響時(shí)，零部件材料穩(wěn)定性所受到的不良影響非常強(qiáng)烈。例如，在焊接鋼制結(jié)構(gòu)的零部件時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)使零部件表面殘生一些細(xì)微的裂縫或者氧化，嚴(yán)重破壞其化學(xué)穩(wěn)定性，使其容易產(chǎn)生金屬疲勞或者生銹，對它的正常使用也構(gòu)成了非常不利的影響。而且，當(dāng)外面的壓力與焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力同時(shí)作用于構(gòu)件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)更加嚴(yán)重的問題，焊件會(huì)出現(xiàn)由于有效截面積嚴(yán)重不足而導(dǎo)致的受壓桿件不穩(wěn)定以及由于焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力之前的平衡狀態(tài)被破壞而導(dǎo)致的焊件加工精度和尺寸不穩(wěn)定等等一些嚴(yán)重的問題。故而，要想提高零部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，就必須設(shè)法解決焊接殘留應(yīng)力問題。

1.3焊接殘余應(yīng)力對零部件靜力強(qiáng)度的影響分析

一般來說，當(dāng)零部件焊接加工時(shí)不使用非常集中的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，零部件的靜力強(qiáng)度一般來說不會(huì)受到焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力過大的影響。但一些零部件加工時(shí)由于性能要求，必須使用到高度集中式的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，其對零部件靜力強(qiáng)度的影響就不容忽視了。而且，構(gòu)件處于比較脆弱的狀態(tài)，那么焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力則會(huì)對構(gòu)件的靜力強(qiáng)度產(chǎn)生極大的影響。而若零部件的靜力強(qiáng)度受到較大的破壞時(shí)，就可能時(shí)零部件發(fā)生一些不規(guī)則變形，這種影響對精密部件的性能破壞非常大，因?yàn)楦呔攘悴考男阅芎艽蟪潭壬媳憩F(xiàn)在規(guī)格上，而焊接結(jié)構(gòu)殘留應(yīng)力恰恰會(huì)破壞它的規(guī)格。總的來說，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對構(gòu)件靜力強(qiáng)度的影響也是構(gòu)件質(zhì)量的重大影響因素之一。所以，如果我們想保證構(gòu)件的靜力強(qiáng)度，我們應(yīng)該積極地解決焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的問題。

1.4殘余應(yīng)力對零部件變形與剛度的影響分析

每一張零部件都有自己特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)也是它發(fā)揮功能的基礎(chǔ)。當(dāng)零部件受到較大外力的影響時(shí)，就會(huì)發(fā)生物理形態(tài)上的形變，包括外形、長短、厚度、均勻程度等。而一個(gè)零部件受到焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的重大影響時(shí)，那個(gè)構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)極其影響構(gòu)件質(zhì)量的問題，也即我們常見的構(gòu)件變形問題。而且，如果焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的作用大小超過了零部件所能承受的最大限度時(shí)，超過了其最大屈服程度，零部件的變形很可能非常大，以至于無法恢復(fù)，造成其使用功能完全喪失。除此之外，零部件的剛度也會(huì)受到焊接殘余應(yīng)力的影響。其原因在于殘余應(yīng)力導(dǎo)致零部件內(nèi)部發(fā)生部分膨脹時(shí)，導(dǎo)致這部分結(jié)構(gòu)“疏松”，使得它的硬度和密度發(fā)生改變，進(jìn)而改變了它的剛度，大大地影響構(gòu)件的質(zhì)量。因此，如果想使零部件不易變形且保持原有剛度的話，我們應(yīng)該積極地解決焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的問題。

1.5殘余應(yīng)力對零部件裂縫的影響分析

根據(jù)研究，很多零部件的表面形態(tài)是比較脆弱的。在沾染腐蝕性化學(xué)藥品或者受到擠壓時(shí)，很可能會(huì)產(chǎn)生一些裂縫。而且，在零部件的加工時(shí)，因切削、銑加工時(shí)往往會(huì)有一些微小的褶皺和裂縫。在一般情況下，這些“小問題”并不會(huì)在功能上對零部件造成大的影響。但是，如果零部件需要接受焊接加工時(shí)，這個(gè)“小問題”就變成了“大問題了”。也就是說，殘余應(yīng)力引起的零件膨脹問題會(huì)致使小裂縫變成大裂縫，即引起零部件的開裂。而且焊接所使用的焊棒為了提高焊接質(zhì)量，往往會(huì)添加一些化學(xué)助劑，而這些化學(xué)一般具有腐蝕性，這無疑又加劇了焊接所產(chǎn)生的裂縫問題?？偠灾?。焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對構(gòu)件開裂的影響極大地影響了構(gòu)件的后期使用。所以，如果我們想保證構(gòu)件不發(fā)生開裂現(xiàn)象，我們應(yīng)該積極地解決焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的問題。

2.減小焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的一些措施

2.1在焊接加工時(shí)合理設(shè)置焊接量

其實(shí)，很多零部件在進(jìn)行焊接加工之前，已經(jīng)基本上成型了，不需要在焊接方面進(jìn)行過深的加工。因此，在對焊接加工程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必做到科學(xué)化和合理化。首先，在滿足零部件加工性能的條件下，我們應(yīng)該盡量地減少焊縫的數(shù)量和尺寸。焊接焊縫的數(shù)量越少，尺寸越小，加工過程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就越小，對零部件造成的不良影響也就越小；其次，避免出現(xiàn)焊縫過分的集中或多方向的焊縫相交于一點(diǎn)的情況，其原因在于一旦發(fā)生這種情況，殘余應(yīng)力會(huì)集中作用于某一點(diǎn)，對零部件造成不可修復(fù)的破壞；再者，我們應(yīng)該使焊縫盡可能對稱布置，以達(dá)到連接過渡盡量平滑的目的，避免截面突變和應(yīng)力集中現(xiàn)象；最后，焊接的搭接長度應(yīng)大于加工零部件局部厚度（一般是焊接點(diǎn)的厚度）數(shù)倍（4～6倍左右），同時(shí)盡量避免仰焊。

2.2改進(jìn)焊接工藝

首先，我們應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)暮附禹樞蚝头较?，以做好消除焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)工作。因?yàn)?，焊接的順序與方向在很大程度上能夠影響到焊接殘余應(yīng)力的大小，這一步驟是減小殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)步驟，務(wù)必要重視；其次，我們應(yīng)當(dāng)先焊收縮量較大的焊縫，然后再焊收縮量較小的焊縫，同時(shí)應(yīng)該先焊錯(cuò)開的短焊縫，然后再焊直通的長焊縫，以達(dá)到使焊縫有比較大的橫向收縮余地的目的；再者，焊接焊縫時(shí)應(yīng)遵循“先大后小”的原則，以利于殘余應(yīng)力的釋放，同時(shí)采取反變形措施，用以抵消殘余應(yīng)力引起的正變形；最后，在焊接完成后，可以將零部件整件進(jìn)行加熱，使焊接處溫度同周圍的溫差縮小，從而減小殘余應(yīng)力。

2.3實(shí)用新型的焊接技術(shù)

新型的焊接技術(shù)如二氧化碳保護(hù)焊、氬弧焊等在焊接過程中能夠產(chǎn)生一層氣體保護(hù)層，能夠保護(hù)焊接零部件不被氧化，同時(shí)可以大大減小焊接對焊縫周圍部分的影響，在較大程度上也能減小殘余應(yīng)力。除此之外，冷焊技術(shù)也是一種新式焊接技術(shù)，它的出現(xiàn)幾乎能夠完全消除焊接殘余應(yīng)力，目前已在推廣應(yīng)用中。

3.結(jié)語

除此之外，對零部件進(jìn)行先期預(yù)熱，再進(jìn)行焊接作業(yè)，也是減小殘余應(yīng)力的良策，因此也可以適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳洪林.焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（18）：34-40.

[2]路浩，劉雪松，孟立春等.高速列車車體服役狀態(tài)殘余應(yīng)力超聲波[J].焊接學(xué)報(bào)，2009（4）：44-48.