焊接残余应力分析及消除焊接应力的方法

　　

　　一、什么是焊接应力

　　焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。

　　焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。

　　焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观。

　　二、焊接应力的危害

　　焊接残余应力对焊件有6个方面的影响：

　　①对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数应力循环特征系数[6][min]/[6][max]和循环应力的最大值[6][max]有关其影响随应力集中系数的降低而减弱，随[6][min]/[6][max]的降低而加剧，随[6][max]的增加而减弱。当[6][max]接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。

　　②对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降低。

　　③对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。

　　④对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。

　　⑤对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。

　　⑥对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。

　　焊接残余应力对结构和构件的影响：

　　焊接残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。

　　三、焊接应力的消除方法

　　目前采用的消除应力的失效方法有振动时效（消除30%~50%的应力）、热时效（消除40%~70%的应力）豪克能PT时效（消除80%~100%的应力）。

　　预热

　　对重要的焊接构件先进行整体热时效，然后再现场与其他构件进行组合焊接的拼焊工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。其具有焊缝去氢、恢复塑形和消除应力的三重功能。一般认为热时效的消除应力的效果为40%以上。

　　

　　重熔

　　焊缺陷是一种焊道融合线上中难以避免的小而尖锐、连续的缺陷，往往成为结构疲劳破坏的裂纹源。

　　

　　常采用TIG重熔工艺对焊趾进行修整，重建裂纹起裂前的状态，降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象，以延长疲劳寿命。同时TIG重熔也能改善焊缝区的横向残余应力；重熔对于焊缝纵向残余应力的改善不明显，残余应力绝对值下降不大；但对于纵向残余应力的均匀分布有一定效果。但对横向残余应力有明显的改善效果，残余应力的绝对值下降明显而且分布趋于均匀。

　　振动时效

　　振动时效是对构件施加交变应力，与构件上的残余应力叠加达到材料的屈服应力，发生局部的宏观和微观塑性变形；这种塑形变形往往首先发生在残余应力最大和构件应力集中点，使这里的残余应力得以释放，达到降低和均化残余应力的作用。

　　

　　尽管振动时效设备不具备去氢和恢复塑形的功能，但从尺寸稳定性比较，已经达到和超过热时效的水平；振动时效是一种以消除应力、提高尺寸稳定性为目的替代热时效的先进工艺。

　　振动焊接

　　振动焊接又称为振动调制焊接、随焊振动；在振动时效标准附录中，已确认为可与振动时效进行组合的工艺之一。其不改变原有的焊接工艺，在焊接过程中，通过激振器对构件注入频率和振幅可控的振动，即形成振动焊接。这种振幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用：

　　（1）、当焊缝在金属熔融状态下，由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。

　　（2）、再结晶过程中振动晶粒，有利于晶粒细化；

　　（3）、温度大于600摄氏度的区域，材料在强度逐步恢复、冷却的过程中，伴随振动的热塑性变形，使逐步得到的焊接残余应力降低和均化，以减少焊接变形和焊接裂纹的形成。

　　

　　焊接应力消除设备

　　焊接应力消除设备对焊趾进行冲击，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中，并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力；焊接应力消除设备能以每秒2万次的频率沿焊缝方向冲击焊趾部位，使之产生较大的压缩塑性变形，使焊趾处发生圆滑的几何过渡，大大降低应力集中；消除焊趾处表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制焊接裂纹的提前萌生，调整应力场，并产生一定数值的压应力，使焊趾部位得到强化，对提高焊接接头的疲劳寿命有明显的作用。

　　

　　爆炸工艺

　　将特种专用炸药沿焊缝走向粘贴在焊缝附近。炸药引爆后产生连续的冲击波迫使结构的峰值应力区域发生塑性变形，以此达到消应力的目的。瞬间完成，适合大型和特大型的结构，爆炸法消应力施工时十分强调安全措施，在城市建筑中应用有一定的困难。