焊接應(yīng)力的產(chǎn)生原因以及消除方法

焊接應(yīng)力，是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中的這種應(yīng)力和變形稱為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形；焊接溫度場消失后的應(yīng)力和變形稱為殘余焊接應(yīng)力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀。一、焊接應(yīng)力的危害

焊接殘余應(yīng)力分布在厚度不大的焊件中，焊接殘余應(yīng)力基本上是平面應(yīng)力，厚度方向的應(yīng)力很小。在自由狀態(tài)下焊接的平板，沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力X在焊縫及其附近一般為拉應(yīng)力，在遠(yuǎn)離焊縫處則為壓應(yīng)力。

焊接殘余應(yīng)力對焊件有

6個方面的影響：

①

對強(qiáng)度的影響：如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在嚴(yán)重的缺陷，而焊件又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作，則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強(qiáng)度降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，如果在應(yīng)力集中處存在著殘余拉應(yīng)力，則焊接殘余拉應(yīng)力將使焊件的疲勞強(qiáng)度降低。焊件的疲勞強(qiáng)度除與殘余應(yīng)力的大小有關(guān)外，還與焊件的應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)[6][min]/[6][max]和循環(huán)應(yīng)力的最大值[6][max]有關(guān)其影響隨應(yīng)力集中系數(shù)的降低而減弱，隨[6][min]/[6][max]的降低而加劇，隨[6][max]的增加而減弱。當(dāng)[6][max]接近于屈服強(qiáng)度時，殘余應(yīng)力的影響逐漸消失。

②

對剛度的影響：焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力相疊加，可能使焊件局部提前屈服產(chǎn)生塑性變形。焊件的剛度會因此而降低。

③

對受壓焊件穩(wěn)定性的影響：焊接桿件受壓時，焊接殘余應(yīng)力與外載所引起的應(yīng)力相疊加，可能使桿件局部屈服或使桿件局部失穩(wěn)，桿件的整體穩(wěn)定性將因此而降低。殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響取決于桿件的幾何形狀和內(nèi)應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力對非封閉截面（如工字形截面）桿件的影響比封閉截面（如箱形截面）的影響大。

④

對加工精度的影響：焊接殘余應(yīng)力的存在對焊件的加工精度有不同程度的影響。焊件的剛度越小，加工量越大，對精度的影響也越大。

⑤

對尺寸穩(wěn)定性的影響：焊接殘余應(yīng)力隨時間發(fā)生一定的變化，焊件的尺寸也隨之變化。焊件的尺寸穩(wěn)定性又受到殘余應(yīng)力穩(wěn)定性的影響。

⑥

對耐腐蝕性的影響：焊接殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力一樣也能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。二、焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的影響

焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力，在構(gòu)件服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，不但會降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。

對結(jié)構(gòu)剛度來說，當(dāng)外載產(chǎn)生的應(yīng)力δ與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)fy時，這一區(qū):域的材料就會產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進(jìn)一步承受外載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截而積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。

結(jié)構(gòu)上有縱向和橫向焊縫時(例如工字梁上的肋板焊縫)，或經(jīng)過火焰校正，都可能在較大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，雖然在構(gòu)件長度上的分布范圍并不太大，但是它們對剛度仍然能有較大的影響。特別是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加載時剛度和卸載時的回彈量可能有較明顯的下降，對于尺寸精確度和穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)是不容忽視的。三、焊接應(yīng)力的消除方法

目前采用的消除應(yīng)力的失效方法有振動時效（消除30%~50%的應(yīng)力）、熱時效（消除40%~70%的應(yīng)力）豪克能PT時效（消除80%~100%的應(yīng)力）。

（1）整體熱處理

對重要的焊接構(gòu)件先進(jìn)行整體熱時效，然后再現(xiàn)場與其他構(gòu)件進(jìn)行組合焊接的拼焊工藝是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造常采用的方法。其具有焊縫去氫、恢復(fù)塑形和消除應(yīng)力的三重功能。一般認(rèn)為熱時效的消除應(yīng)力的效果為40%以上。

（2）重熔焊趾缺陷是一種焊道融合線上中難以避免的小而尖銳、連續(xù)的缺陷，往往成為結(jié)構(gòu)疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG重熔工藝對焊趾進(jìn)行修整，重建裂紋起裂前的狀態(tài)，降低由于焊趾缺陷所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以延長疲勞壽命。同時TIG重熔也能改善焊縫區(qū)的橫向殘余應(yīng)力；重熔對于焊縫縱向殘余應(yīng)力的改善不明顯，殘余應(yīng)力絕對值下降不大；但對于縱向殘余應(yīng)力的均勻分布有一定效果。但對橫向殘余應(yīng)力有明顯的改善效果，殘余應(yīng)力的絕對值下降明顯而且分布趨于均勻。

（3）振動時效振動時效是對構(gòu)件施加交變應(yīng)力，與構(gòu)件上的殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，發(fā)生局部的宏觀和微觀塑性變形；這種塑形變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大和構(gòu)件應(yīng)力集中點(diǎn)，使這里的殘余應(yīng)力得以釋放，達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的作用。

盡管振動時效設(shè)備不具備去氫和恢復(fù)塑形的功能，但從尺寸穩(wěn)定性比較，已經(jīng)達(dá)到和超過熱時效的水平；振動時效是一種以消除應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性為目的替代熱時效的先進(jìn)工藝。

（4）

振動焊接

振動焊接又稱為振動調(diào)制焊接、隨焊振動；在振動時效標(biāo)準(zhǔn)附錄中，已確認(rèn)為可與振動時效進(jìn)行組合的工藝之一。其不改變原有的焊接工藝，在焊接過程中，通過激振器對構(gòu)件注入頻率和振幅可控的振動，即形成振動焊接。這種振幅的振動，勢必對焊接熔池和熱影響區(qū)產(chǎn)生一定的作用：①當(dāng)焊縫在金屬熔融狀態(tài)下，由于振動使氣泡、雜質(zhì)等容易上浮、排除。②再結(jié)晶過程中振動晶粒，有利于晶粒細(xì)化；③溫度大于600攝氏度的區(qū)域，材料在強(qiáng)度逐步恢復(fù)、冷卻的過程中，伴隨振動的熱塑性變形，使逐步得到的焊接殘余應(yīng)力降低和均化，以減少焊接變形和焊接裂紋的形成。（5）豪克能時效

①可使焊接接頭疲勞強(qiáng)度提高50%-120%，疲勞壽命延長5~100倍。金屬在腐蝕環(huán)境下的抗腐蝕能力提高約400%。

②用于消除焊接應(yīng)力可完全替代熱處理、振動時效等時效方法，且處理工藝簡單，效果穩(wěn)定可靠（想處理哪里就處理哪里，并可在任意時間、任意工序上進(jìn)行，讓你隨心所欲，得心應(yīng)手，使用起來簡單方便）。③不受工件材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)、鋼板厚度、重量、場地之限制，特別是在施工現(xiàn)場、焊接過程和焊接修復(fù)時用于消除焊接應(yīng)力更顯靈活方便。

④可直接將焊趾處的焊接余高、凹坑、咬邊處理成圓滑的幾何過渡，從而大大降低應(yīng)力集中系數(shù)。

⑤可去除焊趾處的微觀裂紋、熔渣缺陷，抑制裂紋的提前萌生。

⑥因為豪克能消除應(yīng)力處理能同時改善影響焊縫疲勞性能的幾個方面的因素，如殘余應(yīng)力、微觀裂紋和缺陷、焊趾幾何形狀、表面強(qiáng)化等，所以是目前提高焊縫疲勞性能最有效的方法，且有事半功倍之效果。

⑦更適用于大型結(jié)構(gòu)件的工地焊縫、超高超低處焊縫、焊接修復(fù)焊縫的消除應(yīng)力處理

⑧環(huán)保、節(jié)能、安全、無污染，施工現(xiàn)場使用更顯靈活方便。

（6）

焊接應(yīng)力消除設(shè)備

焊接應(yīng)力消除設(shè)備對焊趾進(jìn)行沖擊，可以快速修復(fù)焊趾的缺陷，降低應(yīng)力集中，并伴隨其壓應(yīng)力區(qū)的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應(yīng)力。