焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定及消除方法

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(常熟出入境檢驗(yàn)檢疫局, 常熟 215500)

焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定及消除方法

盧書媛,王衛(wèi)忠,俞璐,時(shí)偉,劉烽,吳騁

(常熟出入境檢驗(yàn)檢疫局, 常熟 215500)

在分析焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，對(duì)常用的焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定方法和消除方法進(jìn)行了分析，比較了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)操作難易程度、工作效率、經(jīng)濟(jì)成本等方面來選擇合適的殘余應(yīng)力消除方法。最后指出研究和測(cè)定焊接殘余應(yīng)力對(duì)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)具有重要意義。

焊接殘余應(yīng)力； 測(cè)定方法； 消除方法

焊接技術(shù)是指通過加熱或加壓(或者兩者并用)、添加或者不加填充材料，使兩種或兩種以上材料通過原子或分子間的結(jié)合達(dá)到永久性連接的一種工藝過程。在鋼結(jié)構(gòu)的基本連接方法中，焊接技術(shù)具有保留焊件本身結(jié)構(gòu)且不產(chǎn)生破壞的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是金屬加工中最理想的連接方法。與其他加工方法相比較，焊接方法既高效又能充分利用材料，因而被廣泛地應(yīng)用于航天、橋梁、壓力容器等工業(yè)中[1]。

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，加熱和冷卻的過程會(huì)使焊件內(nèi)部出現(xiàn)溫度差異，由此引起變形不一致就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這類應(yīng)力被稱為焊接殘余應(yīng)力。對(duì)于大型的復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件，其殘余應(yīng)力的大小與分布情況很復(fù)雜，不僅與焊接方法、焊接參數(shù)密切相關(guān)，還因焊接對(duì)象的材料、形狀、尺寸、接頭形式等不同而產(chǎn)生變化。有一些焊接后產(chǎn)生的拉應(yīng)力是有利的，因?yàn)槔瓚?yīng)力可以維持結(jié)構(gòu)的剛度和應(yīng)力平衡，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力，如球形屋架、塔吊塔身、塔臂、天車龍門吊等，這類設(shè)備在焊接后是不需要去應(yīng)力處理的[2]。但是大多數(shù)情況下，焊接殘余應(yīng)力會(huì)降低焊接件的強(qiáng)度指標(biāo)、尺寸精度、結(jié)構(gòu)剛性和耐腐蝕能力，甚至?xí)饦?gòu)件的變形和開裂。因此，研究焊接件中殘余應(yīng)力的測(cè)定和消除方法對(duì)生產(chǎn)和科學(xué)研究有著重要的意義。筆者對(duì)常用的焊接殘余應(yīng)力測(cè)定方法和消除方法進(jìn)行了分析，對(duì)比了各種方法的特點(diǎn)和局限性，以便為廣大殘余應(yīng)力工作者提供參考。

1 焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定方法

自20世紀(jì)30年代起，殘余應(yīng)力的測(cè)定問題就開始被人們關(guān)注并研究，主要使用機(jī)械方法來測(cè)定，即采用機(jī)械加工的手段對(duì)試樣進(jìn)行局部的分離或分割來釋放殘余應(yīng)力，測(cè)定分割前后的變形，然后利用彈性力學(xué)求出殘余應(yīng)力。但是這種方法屬于破壞性方法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)法也逐步被人們認(rèn)可并使用。根據(jù)對(duì)被測(cè)構(gòu)件是否有破壞性，可將殘余應(yīng)力測(cè)定方法分為有損檢測(cè)法和無損檢測(cè)法[3-13]。表1是對(duì)幾種不同殘余應(yīng)力測(cè)定方法的比較[6-13]，各種方法的詳細(xì)特點(diǎn)如下。

表1 不同應(yīng)力測(cè)定方法的比較Tab.1 Comparison of various methods for residual stress measurement

1.1有損檢測(cè)法

有損檢測(cè)法的基本原理是采用機(jī)械加工使待測(cè)構(gòu)件釋放部分應(yīng)力，從而產(chǎn)生相應(yīng)的位移與應(yīng)變，再在某些部位測(cè)定這些位移和應(yīng)變，通過力學(xué)分析推算出原來的應(yīng)力分布。常用的有損檢測(cè)法有切條法、剝層法、鉆孔法、沖擊壓痕法等。

1.1.1 切條法

切條法屬于全破壞性測(cè)試方法，通過將焊件分割成許多小條來釋放小條之間因約束而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，通過測(cè)量每一個(gè)分割條的長(zhǎng)度變化來計(jì)算各個(gè)小條中的平均焊接殘余應(yīng)力。切條法是全應(yīng)力釋放法的一種，分割小條的尺寸越小，測(cè)定結(jié)果的精度越高。

采用切條法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力時(shí)，一般是測(cè)定焊件某一區(qū)域的殘余應(yīng)力狀態(tài)，需要把待測(cè)區(qū)域逐條逐塊分割，工作量大而復(fù)雜，且測(cè)定后的焊件不能再用，所以該方法不適合用于測(cè)定實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力。但是該方法理論依據(jù)嚴(yán)密、測(cè)定技術(shù)簡(jiǎn)單、測(cè)定結(jié)果可靠，因此常被用來作為校核其他測(cè)定方法的可靠性。

1.1.2 盲孔法

盲孔法又稱鉆孔法或小孔法，屬于典型的局部破壞性測(cè)定方法，即在應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)任意點(diǎn)處鉆一個(gè)小孔，該點(diǎn)的應(yīng)力被釋放，殘余應(yīng)力重新分布，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式(1)～(3)求出平均殘余應(yīng)力。該方法是MATHER J在1932年提出的，后由SOETE發(fā)展完善而形成系統(tǒng)理論[4]，現(xiàn)在已成為一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(ASTM E837-13a，GB/T 31310-2014)。

式中：σ1，σ2分別為兩個(gè)方向的主應(yīng)力；ε1，ε2，ε3分別為各應(yīng)變計(jì)測(cè)得的釋放應(yīng)變；A，B為應(yīng)變釋放系數(shù)，與孔徑、孔深、應(yīng)變計(jì)的幾何尺寸以及被測(cè)材料的彈性模量有關(guān)；θ為最大主應(yīng)力與應(yīng)變片參考軸之間的夾角，順時(shí)針取向。

盲孔法操作簡(jiǎn)便、測(cè)試精度較高、對(duì)焊件損傷程度小，因而被廣泛地應(yīng)用在工程上。然而，由于在實(shí)際測(cè)定時(shí)的影響因素很多，如孔深與孔徑誤差、鉆削會(huì)引起附加應(yīng)變、應(yīng)變片靈敏系數(shù)誤差等，通常要對(duì)測(cè)試值作相應(yīng)修正后方能使用。另外，有研究表明當(dāng)工件殘余應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度的1/3時(shí)，不適合用盲孔法測(cè)定[14]。

1.1.3 剝層法

剝層法屬于全破壞性測(cè)定方法，通過對(duì)被焊工件表面進(jìn)行腐蝕使材料內(nèi)部逐層露出，然后通過測(cè)量焊件的彎曲撓度來推算各層的殘余應(yīng)力。剝層可以沿表面層均勻剝層，也可以斜面腐蝕剝層。由于被剝除部分殘余應(yīng)力的釋放會(huì)導(dǎo)致剩余部分的殘余應(yīng)力重新分布，從而導(dǎo)致所測(cè)得的殘余應(yīng)力并不等于剝層以前該處的殘余應(yīng)力。

1.1.4 沖擊壓痕法

沖擊壓痕法基本上不破壞工件，通過在焊件表面沖擊加載的方式，在原來的應(yīng)力場(chǎng)上疊加一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)應(yīng)變?cè)隽縼碛?jì)算原始的殘余應(yīng)力。沖擊壓痕法操作簡(jiǎn)便、具有一定的工程實(shí)用性，但僅適合用于測(cè)定硬度在50 HRC以內(nèi)的工件。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，必須先進(jìn)行材料標(biāo)定，且標(biāo)定試板的組織狀態(tài)應(yīng)與被測(cè)工件的組織狀態(tài)相同[15]。

1.2無損檢測(cè)法

無損檢測(cè)法因不會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生損壞而被廣泛應(yīng)用，常用的方法有磁性應(yīng)力測(cè)定法、超聲波應(yīng)力測(cè)定法和衍射應(yīng)力測(cè)定法。

1.2.1 磁性應(yīng)力測(cè)定法

鐵磁物質(zhì)具有磁致伸縮效應(yīng)，當(dāng)焊件中有殘余應(yīng)力時(shí)，就如同焊件受到約束，使得磁致伸縮受到阻礙，導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生變化，而磁導(dǎo)率的變化與應(yīng)力之間存在著線性關(guān)系，磁性應(yīng)力測(cè)定法就是通過測(cè)量焊件某一范圍內(nèi)各個(gè)方向的磁導(dǎo)率與未被焊接的同類材料的磁導(dǎo)率，然后根據(jù)磁導(dǎo)率的變化計(jì)算出焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力。

磁性應(yīng)力測(cè)定法簡(jiǎn)單、易操作且成本較低，其測(cè)定精度取決于標(biāo)定精度、探頭尺寸、探頭與待測(cè)表面的耦合情況以及材料的不均勻性等。但是該方法只能用于鐵磁材料的應(yīng)力測(cè)定，這限制了它的應(yīng)用。

1.2.2 超聲波應(yīng)力測(cè)定法

超聲波對(duì)應(yīng)力較為敏感，按照聲彈性理論，當(dāng)超聲波直接通過焊件時(shí)，可以通過聲速的變化來反映焊件中的應(yīng)力。通過超聲縱波和超聲橫波與應(yīng)力的換算關(guān)系來計(jì)算出焊件中的應(yīng)力，計(jì)算公式如下

式中：VT1，VT2分別為超聲波在各向同性固體中兩個(gè)主應(yīng)力方向上的超聲橫波速率；VT0，VL0分別為應(yīng)力為零時(shí)各向異性固體中的超聲橫波速率和超聲縱波速率；ST為橫波聲應(yīng)力常數(shù)；σ1，σ2分別為兩個(gè)方向的主應(yīng)力；VL為超聲波在各向同性固體中的超聲縱波速率；SL為縱波聲應(yīng)力常數(shù)。

超聲波應(yīng)力測(cè)定法適用于應(yīng)力水平較高的工件，這是因?yàn)樵趹?yīng)力水平較低時(shí)，聲速不僅與應(yīng)力有關(guān)還與溫度有關(guān)，只有將溫度控制在常溫且溫度變化量幾乎為零時(shí)，才能精確測(cè)定低應(yīng)力水平下的應(yīng)力值。

1.2.3 衍射應(yīng)力測(cè)定法

存在宏觀殘余應(yīng)力的物體，在較小的體積范圍內(nèi)的彈性應(yīng)變是均勻的。當(dāng)晶體發(fā)生彈性應(yīng)變時(shí)，晶面間距會(huì)發(fā)生改變，依據(jù)布拉格定律2dsinθ=nλ(λ為入射波波長(zhǎng))，通過測(cè)定衍射角2θ來計(jì)算出衍射晶面間距d。在一束射線照射范圍內(nèi)應(yīng)該有足夠多的晶粒，且所選定的某一晶面的法線在空間呈均勻連續(xù)分布，通過測(cè)量衍射晶面法線與試樣表面法線之間的夾角ψ，運(yùn)用下式來計(jì)算殘余應(yīng)力

式中：σ為應(yīng)力值；K為應(yīng)力常數(shù)。

常用的衍射應(yīng)力測(cè)定法有X射線衍射法和中子衍射法。由于X射線的穿透能力比較弱，X射線衍射法只能測(cè)定試件表面5～20 μm深度的應(yīng)力[16-18]，因此試件的表面狀況對(duì)測(cè)定結(jié)果有很大的影響，試件表面不應(yīng)有鐵屑、粉塵、氧化皮和銹蝕等，測(cè)點(diǎn)附近不應(yīng)有碰傷、擦傷或刮傷。而中子衍射法比較適合大工程部件的殘余應(yīng)力測(cè)定，可以作為非常有效的體探針和研究手段[19-20]。

2 焊接殘余應(yīng)力的消除方法

總體來說，焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過程非常復(fù)雜且弊大于利，因此采取有效的措施來減小焊接殘余應(yīng)力是非常有必要的。目前，常用的消除焊接殘余應(yīng)力的方法有熱處理法、加載法、爆炸處理法、激光處理法、錘擊處理法、振動(dòng)處理法、超聲波處理法、深冷處理法、噴丸處理法等[21-29]。

2.1熱處理法

熱處理法是焊后消除焊接殘余應(yīng)力的主要方法，是將焊件整體或局部以一定的速率加熱到再結(jié)晶溫度以上并保溫一段時(shí)間，此時(shí)焊件中的拉應(yīng)力區(qū)會(huì)被拉長(zhǎng)、壓應(yīng)力區(qū)會(huì)被壓縮，使得部分或全部的變形回復(fù)到初始位置，從而達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力的目的。大部分結(jié)構(gòu)鋼的焊后熱處理是指退火處理。整體熱處理法一般可消除60%～90%的殘余應(yīng)力，其消除應(yīng)力的效果主要取決于熱處理工藝；局部熱處理法則只能降低殘余應(yīng)力的峰值，不能完全消除殘余應(yīng)力[21]。

熱處理法可以降低焊接熱影響區(qū)的硬度，及時(shí)恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行焊后熱處理可以釋放焊接位置中的氫，提高焊接件的抗腐蝕能力、脆性斷裂強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度及抗腐蝕開裂能力。但是焊后熱處理成本較高，操作不方便，不能明顯改善焊件的疲勞性能，甚至可能會(huì)導(dǎo)致在焊件中產(chǎn)生再熱脆化和再熱裂紋。

2.2加載法

加載法是通過在焊件上加載拉應(yīng)力來抵消焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，從而消除殘余應(yīng)力?；诩虞d方式的不同，可以將加載法分為機(jī)械拉伸法和溫差拉伸法。機(jī)械拉伸法是通過拉伸構(gòu)件來產(chǎn)生拉應(yīng)力，而溫差拉伸法則是利用受熱膨脹的原理，使焊接區(qū)域的溫度比兩側(cè)區(qū)域的溫度低，從而利用溫度差來產(chǎn)生拉應(yīng)力。

有研究表明，對(duì)于奧氏體不銹鋼而言，采用機(jī)械過載拉伸的方法可以有效降低焊接殘余應(yīng)力峰值，并且使焊接殘余應(yīng)力分布更加均勻[22]。加載載荷越大，消除的焊接殘余應(yīng)力就越多；但是超過一定數(shù)值之后，殘余應(yīng)力消除的效果逐步減弱。加載法消除焊接殘余應(yīng)力的效果相對(duì)較差，如果加載不當(dāng)還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的變形，而溫差拉伸處理成本較高，操作比較困難[23]。

2.3爆炸處理法

爆炸處理法是通過覆蓋特種炸藥在焊縫及其附近表面，炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波會(huì)使焊件產(chǎn)生塑性變形，與原有的殘余應(yīng)力相互抵消達(dá)到消除的目的。

爆炸處理法消除殘余應(yīng)力的效果明顯且使用方便、不受焊件尺寸的限制，適用于特殊焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的消除[24]。但在爆炸處理時(shí)，如果炸藥用量不當(dāng)或者炸藥布置不合理就可能造成焊件的宏觀變形、消除效果不明顯甚至人員傷亡等不良后果。

2.4激光處理法

激光處理法是使用強(qiáng)脈沖激光來沖擊焊件，產(chǎn)生的等離子體沖擊波可以使焊接區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，從而消除焊接殘余應(yīng)力。該方法可以通過精確控制激光能量、沖擊區(qū)域、沖擊角度和沖擊次數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜焊件的應(yīng)力消除。

激光處理法不會(huì)損壞試樣表面，對(duì)環(huán)境無污染，而且方法靈活高效，恰當(dāng)?shù)乩眉す鈦硖幚砗附訁^(qū)域還可以提高焊件的強(qiáng)度和疲勞壽命。但是如果處理不當(dāng)，如激光不能全部覆蓋焊接區(qū)域，則改善疲勞性能的效果就會(huì)不佳[25]。

2.5錘擊處理法

錘擊處理法是指用錘頭敲擊焊接區(qū)域，使焊接區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，從而減小焊接殘余應(yīng)力。常見的錘擊方式有手動(dòng)錘擊、電動(dòng)錘擊、氣動(dòng)隨焊錘擊、沖擊槍錘擊、電磁隨焊錘擊等[26]。

錘擊處理法具有成本低、操作簡(jiǎn)單和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，它不僅可以消除焊接殘余應(yīng)力，還可以對(duì)焊件進(jìn)行校形，提高焊件的抗疲勞能力和力學(xué)性能。但是如果錘擊不當(dāng)，則可能會(huì)出現(xiàn)降低材料的耐腐蝕性能、誘發(fā)小裂紋和產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效脆化等問題。

2.6振動(dòng)處理法

振動(dòng)處理法是指通過振動(dòng)使焊件各部位在交變應(yīng)力與殘余應(yīng)力的合力作用下產(chǎn)生局部屈服，引起微小塑性變形，使構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力減小[27]。

振動(dòng)處理法操作簡(jiǎn)便、時(shí)間短、成本低且節(jié)能環(huán)保，可以使焊件中的應(yīng)力均勻分布，保持焊件尺寸穩(wěn)定，延緩變形時(shí)間，但應(yīng)力消除效果受焊件的尺寸、材料及振動(dòng)處理工藝的影響較大。

2.7超聲波處理法

超聲波處理法是通過利用超聲波沖擊焊件，使焊接區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，從而消除焊接殘余應(yīng)力。

超聲波處理法相對(duì)傳統(tǒng)方法而言具有成本低、操作方便、效率高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。除了能夠降低殘余應(yīng)力，超聲波處理法還可以提高焊接處的疲勞強(qiáng)度、抑制焊接裂紋、降低焊接區(qū)域的應(yīng)力集中、穩(wěn)定構(gòu)件尺寸。但是超聲波處理法的作用范圍有限，該方法對(duì)于薄壁件的焊接殘余應(yīng)力消除效果非常理想，而對(duì)于厚板零件的焊接殘余應(yīng)力消除效果則不明顯[28]。

2.8深冷處理法

深冷處理法是指將焊件淬火后放在液氮或液態(tài)氮蒸氣的環(huán)境中進(jìn)行處理，通過不同階段溫度變化引起的內(nèi)應(yīng)力變化，來抵消部分殘余應(yīng)力。

深冷處理法無污染、成本較低、對(duì)焊件的沖擊性小，可以有效地確保工件尺寸并避免焊件開裂，提高焊件力學(xué)性能和耐腐蝕性能。但是由于消除應(yīng)力的效果與深冷處理工藝、深冷處理前后的熱處理工藝及相關(guān)工藝有關(guān)，因此深冷處理法的穩(wěn)定性較差。深冷處理法只適合處理小型零部件，例如齒輪、刀具、模具等[29]。

2.9噴丸處理法

噴丸處理法是將高速?gòu)椡枇鲊娚涞焦ぜ砻妫构ぜ韺影l(fā)生塑性變形，而形成一定厚度的強(qiáng)化層。強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于工件表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)工件承受載荷時(shí)可以抵消一部分張應(yīng)力，從而提高工件的疲勞強(qiáng)度。

有研究表明，噴丸處理法對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度沒有明顯的影響，使延伸率略有降低、表面硬度有所增高、沖擊韌度略有下降，但可以大幅度提高循環(huán)載荷作用下金屬的疲勞強(qiáng)度和耐應(yīng)力腐蝕能力。不過噴丸處理法會(huì)使材料表面的顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受噴表面變得粗糙，工件尺寸增大[6]。噴丸處理法適合用于各種機(jī)械、航空、航海、礦山、鐵路、運(yùn)輸、重型機(jī)械、軍械等行業(yè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在焊接結(jié)構(gòu)中普遍存在焊接殘余應(yīng)力，總體來說其作用弊大于利，焊接殘余應(yīng)力不僅會(huì)影響焊件的加工質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性，也會(huì)降低焊件的使用性能。焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定方法和消除方法有很多，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。通過比較各種殘余應(yīng)力的消除方法，可以從操作難易程度、工作效率、經(jīng)濟(jì)成本等方面來選擇合適的殘余應(yīng)力消除方法，延長(zhǎng)焊件的使用壽命，避免或減少不良事故發(fā)生造成的經(jīng)濟(jì)損失，爭(zhēng)取獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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MeasurementandEliminationMethodsofWeldingResidualStress

LUShuyuan,WANGWeizhong,YULu,SHIWei,LIUFeng,WUCheng

(Changshu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Changshu 215500, China)

Based on the analysis of the generating reasons of the welding residual stress, the common measurement and the elimination methods of the welding residual stress were researched. The advantages and disadvantages of different methods were discussed. In practical work, the appropriate methods of residual stress elimination should be chosen according to the difficulty degree of operation, work efficiency, economic cost and so on. Finally it was pointed out that the research and measurement of the welding residual stress had important significance to the manufacture and scientific tests.

welding residual stress; measurement method; elimination method

10.11973/lhjy-wl201709002

2017-03-13

盧書媛(1980-)，女，工程師，博士，主要從事金屬材料檢測(cè)及失效分析等方面的工作，lushuyuan_0929@163.com

TG115

：A

：1001-4012(2017)09-0624-05