淺析焊接應(yīng)力的危害與常見消除辦法

和一平

摘要：物體受到外力作用時和加熱引起物體內(nèi)部之間相互作用的力，稱內(nèi)力。單位截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。熔化焊必然會帶來焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)中一般都是有害的。通常當(dāng)人們考慮結(jié)構(gòu)性能時，常假定所用材料和構(gòu)件是均質(zhì)的和各向同性的，并認(rèn)為構(gòu)件中不存在原始應(yīng)力。然而，實際焊接構(gòu)件并非如此，其中最為明顯的是在焊接構(gòu)件中存有較強的殘余應(yīng)力場，它直接影響到焊件的靜載強度、動載強度、斷裂韌性、疲勞強度、尺寸穩(wěn)定性和抗腐蝕開裂等性能。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力；危害；應(yīng)力消除

一、焊接應(yīng)力的危害及消除應(yīng)力的必要性

（一）焊接殘余應(yīng)力的危害

熔化焊必然會帶來焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)中一般都是有害的。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在工程中的受力情況、使用的材料、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，正確選擇焊接工藝，將不利的因素變?yōu)橛辛Φ囊蛩兀M量減少焊接應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)件的不利影響。

通常當(dāng)人們考慮結(jié)構(gòu)性能時，常假定所用材料和構(gòu)件是均質(zhì)的和各向同性的，并認(rèn)為構(gòu)件中不存在原始應(yīng)力。然而，實際焊接構(gòu)件并非如此，其中最為明顯的是在焊接構(gòu)件中存有較強的殘余應(yīng)力場，它直接影響到焊件的靜載強度、動載強度、斷裂韌性、疲勞強度、尺寸穩(wěn)定性和抗腐蝕開裂等性能。下文將分別討論焊接殘余應(yīng)力對這些性能的影響。

（二）消除應(yīng)力的必要性

1.殘余應(yīng)力對焊接構(gòu)件靜載強度的影響?，F(xiàn)以低碳鋼對接接頭為例來討論殘余應(yīng)力對靜載強度的影響。試板中的原始縱向殘余應(yīng)力分布如圖1.4曲線1所示，焊接區(qū)為殘余拉伸應(yīng)力，其值高達(dá)材料的屈服極限，兩側(cè)為殘余壓應(yīng)力。當(dāng)試板在外載荷作用下承受均勻拉應(yīng)力σ時，殘余應(yīng)力和施加應(yīng)力疊加，使試板中的應(yīng)力分布發(fā)生變化。由于焊接區(qū)的殘余拉伸應(yīng)力已達(dá)到材料的屈服極限，故在加載時，只產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力不再增加，此時施加載荷完全由未達(dá)到屈服的彈性區(qū)承擔(dān)。隨著施加載荷增加，試板中的應(yīng)力分布由曲線1變?yōu)榍€2，繼而變?yōu)榍€3，使其應(yīng)力分布逐漸均勻化，直至整個橫截面上的應(yīng)力全部達(dá)到σs時為止，此時，外力的大小可用圖中所示的 abcdefghia 面積來表示（因為外力 P=σ·B·t， P/t=σ·B），并假定以此值定為靜載強度載荷。如果對無殘余應(yīng)力同樣尺寸的試板施加拉力，使整個橫截面也達(dá)到σs，則此時所需要施加的外力值可用矩形面積 aghia 來表示。不難發(fā)現(xiàn)，面積abcdefghia=面積aghia-面積 cdec+面積abca+面積efge。根據(jù)內(nèi)力平衡原理（殘余拉力等于殘余壓力）得知，面積cdec=面積abca+面積efge，故面積abcdefghia=面積aghia。由此可見，只要材料具有足夠的塑性，焊接殘余應(yīng)力的存在并不影響其靜載強度。

然而，對于由塑性較低的金屬材料焊制成的焊件，由于在受力過程中，無足夠的塑性變形產(chǎn)生，所以在加載過程中應(yīng)力峰值不斷增加，直至達(dá)到材料的強度極限后發(fā)生破壞。由此可見，對于由低塑性材料焊制的構(gòu)件或有嚴(yán)重應(yīng)力集中（應(yīng)力集中處往往存在三向拉伸應(yīng)力，不易發(fā)生塑性變形）的焊件，殘余應(yīng)力對其靜載強度有不利的影響。

2.殘余應(yīng)力對機加工精度構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性的影響。對尺寸精度要求高的焊接結(jié)構(gòu)，焊后一般都采用切削加工來保證構(gòu)件的技術(shù)條件和裝配精度。然而這樣導(dǎo)致截面積相應(yīng)減少，同時也釋放了部分殘余應(yīng)力，使得構(gòu)件中原有殘余應(yīng)力的平衡得到破壞，引起構(gòu)件變形。故在切削加工前應(yīng)對焊件先進(jìn)行消除應(yīng)力退火，在進(jìn)行切削加工，也可以采用多次分步加工的辦法來釋放焊件中的殘余應(yīng)力和變形。

3.焊接殘余應(yīng)力對壓桿穩(wěn)定性的影響。翼板中部產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩端產(chǎn)生壓應(yīng)力；而腹板中部產(chǎn)生壓應(yīng)力，上下兩端產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)該截面承受壓力達(dá)到臨界狀態(tài)時，外加荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力與翼緣板兩端的殘余應(yīng)力同號，疊加后翼緣板兩端達(dá)到屈服點首先屈服，出現(xiàn)部分塑性區(qū)；而荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力和翼緣板中部的殘余應(yīng)力異號，疊加后這部分翼緣板保持彈性。因此，該軸心受壓構(gòu)件達(dá)到臨界狀態(tài)，使構(gòu)件截面內(nèi)出現(xiàn)了部分塑性區(qū)和部分彈性區(qū)。由材料力學(xué)可知，翼緣板兩端為塑性區(qū)，彈性模量為零，抗彎剛度也為零；翼緣板中部為彈性區(qū)，彈性模量大于零，抗彎剛度也大于零。由于只有截面的彈性區(qū)才能有效承載，軸心壓桿在殘余應(yīng)力作用下，穩(wěn)定能下降。

4.焊接殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響。殘余應(yīng)力的存在使變荷載的應(yīng)力循環(huán)發(fā)生偏移，這種偏移只改變其平均值，不改變其幅值。結(jié)構(gòu)的疲勞強度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應(yīng)力集中處存在著拉伸殘余應(yīng)力，疲勞強度就降低。應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力的影響也就越顯著，因此，提高疲勞強度，不僅應(yīng)從調(diào)節(jié)和消除殘余應(yīng)力著手，而且應(yīng)從工藝和設(shè)計上來降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)，從而降低殘余應(yīng)力對疲勞強度的不利影響[7]。

5.焊接殘余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂的影響。采用熔化焊焊接的構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力是不可避免的。焊件在特定的腐蝕介質(zhì)中，盡管拉應(yīng)力不一定很高都會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。其中殘余拉應(yīng)力大小對應(yīng)力腐蝕速度有很大的影響，當(dāng)焊接殘余應(yīng)力與外載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)力值越高，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向就高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的時間就越短。所以要選擇抗介質(zhì)腐蝕性能好的材料，對鋼結(jié)構(gòu)的焊縫及其周圍處進(jìn)行錘擊，使焊縫延展開，消除焊接殘余應(yīng)力，焊前進(jìn)行消除應(yīng)力退火等。

二、焊接應(yīng)力的消除辦法

（一）從設(shè)計上考慮控制焊接應(yīng)力的方法

控制焊接殘余應(yīng)力可以從焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計上考慮，在保證結(jié)構(gòu)有足夠的強度條件下，合理的布置焊縫的位置，盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸。

（二）降低局部剛性法

結(jié)構(gòu)剛性增加時，焊接應(yīng)力隨之加大，降低局部剛性有利于減少應(yīng)力。焊接封閉焊縫或剛性較大的焊縫，焊接時可以采取反變形法降低結(jié)構(gòu)的局部剛性，也可根據(jù)情況在焊縫附近開緩和槽，降低焊接部位的局部剛性，盡量使焊縫有自由收縮的可能，以便能有效地減少焊接應(yīng)力。

（三）預(yù)熱和緩冷方法

焊件本體上溫差越大，焊接應(yīng)力也越大。焊前對焊件進(jìn)行預(yù)熱能減小溫差和減慢冷卻速度，兩者均能減少焊接應(yīng)力。在焊修前將工件放在爐內(nèi)加熱到一定溫度（100～600℃），并在焊接過程中防止加熱后的工件急劇冷卻，這樣降低焊修部分溫度與基體金屬溫度的差值，使膨脹數(shù)值接近，從而減少內(nèi)應(yīng)力。若焊件整體預(yù)熱有困難，可采用局部預(yù)熱，即在焊縫及其兩側(cè)不少于80mm處進(jìn)行加熱，因為加熱太窄會造成新的溫差應(yīng)力。預(yù)熱時溫升不要太快，要均勻，并要求整條焊縫各部位溫度應(yīng)基本一致。緩冷時將焊接后的工件加熱到600℃，放在退火爐內(nèi)，讓它慢慢地冷卻下來。

參考文獻(xiàn)：

[1]王國凡，張元彬，羅輝等.鋼結(jié)構(gòu)焊接制造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004（3）.1-21.

[2]朱一平，葉獻(xiàn)國. 焊接殘余應(yīng)力對鋼構(gòu)件受力性能的影響[J]. 安徽建筑，2006（4）endprint