焊接残余应力调控技术应用研究

焊接残余应力调控技术应用研究

张金华,陈亚江,杨阳

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市  266041

摘要：焊接是一个复杂的过程，涉及物理学、传热学、冶金学和力学的复杂。在焊接热循环的快速加热和冷却下，焊缝金属和周围母材会发生不均匀和不协调的塑性变形，最后产生焊接残余应力。在环境温度和外部载荷的叠加下，焊接残余应力将动态分布。残余应力分布不均，容易造成构件变形失稳、裂纹增长甚至断裂失效，对机械构件的安全性、稳定性和可靠性有重大影响。因此，控制焊接部件的残余应力是非常重要的，特别是减少部件表面和内部的拉伸残余应力。本文研究了焊接残余应力控制技术的应用。

关键词：焊接残余应力；焊接顺序；热时效；超声冲击；脉冲磁场

焊接残余应力贯穿于焊接部件的设计、生产和服务的整个过程。国内外学者对焊接残余应力的峰值降低和分布均匀化进行了大量的理论和工程研究，但大多集中在焊后调节和退火热处理、振动冲击等简化模型的模拟研究，没有全面考虑材料、结构、工艺、制造等因素对残余应力形成和分布的影响。本文从优化焊缝结构设计、合理安排焊接顺序、尾部强化松动塑性区、焊后热老化控制和机械变形控制等方面总结了残余应力控制技术和工艺策略。

1.焊接残余应力及产生机理

在焊件的高温区，由于环境温度较低，导致高温区的局部压缩塑性变形。在焊接过程中，由于局部受压引起的塑性变形，使其在低温区不能进行自由收缩。在这种情况下，焊件内部会产生一种与焊件在受热过程中所引起的应力相反的应力，也就是所谓的温度应力。焊接接头在由高到低的温度下会出现二次转变。二次相变会使材料的组织发生改变，从而使焊接部位发生体积和应力的改变。在焊接时，如果焊件是刚性的，可以减小焊缝的变形，但是会增大应力。反之，焊接接头的变形要达到一定的程度才能减小焊接接头的残余应力。但是，在某些情况下，焊缝的应力和变形都会对焊件的质量产生影响。

2.焊接残余应力对产品性能影响

2.1残余应力导致构件加工精度和尺寸稳定性降低

在焊接部件的生产、吊装、加工、运输、储存和服务过程中，由于环境温度和外部载荷的影响，焊接残余应力的平衡状态被打破，逐渐衰减并随时间动态分布。应力的变化会引起部件形状和尺寸的变化，从而影响加工精度和尺寸稳定性。导致焊接件尺寸不稳定的原因有两个：一是蠕变和应力松弛；二是内部的不稳定。在常温下放置2个月后，由于材料的蠕变、应力松弛等原因，低碳钢焊接件的残余应力会降低。总体上，在使用过程中，初始剩余应力较低，其应力松弛作用较弱；随着使用温度的提高，蠕变的程度和应力下降的比率也会增加。

2.2残余应力导致构件变形失稳开裂

焊接残余应力不但会影响到接头的组装精度、尺寸公差，还会对结构的抗静、动载荷和卸载后的变形恢复性能产生直接的影响。通常情况下，切向残余应力会引起结构的弯曲和裂缝，而法向残余应力则会引起结构的厚度变形。焊接残余应力的大小、方向及分布决定了零件的破坏程度。在使用中，由于工作和剩余应力的作用，使其产生的塑性变形超出了其屈服强度，从而使其失稳，失能。焊接件生产完成后，一般要对接头质量进行检测，并对应力进行调节，以保证部件的残余应力在允许的范围内，避免应力集中，保证设备在使用过程中的安全性和可靠性。

2.3残余应力导致构件疲劳失效

在残余应力和外部交变载荷的叠加作用下，金属构件会在一定范围内积累塑性变形，形成应力集中区，改变原有的应力场分布，严重时会产生微裂纹，影响产品的疲劳寿命。大量研究表明，焊后热处理、高频机械冲击、振动时效、喷丸强化等手段可以显著提高结构物的使用寿命。残余应力的不均匀分布是结构件变形和开裂的根源，这不仅会对焊件的承载力、稳定性、疲劳寿命有很大的影响，而且会严重地影响到制品的机械性能和使用安全。

3.焊接残余应力调控技术

3.1优化焊缝结构设计

焊接设计以结构的实用性为核心，以服务的可靠性为前提，以技术和经济为约束。焊接接头的合理设计不仅可以满足结构承载力，适应静载、动载和复杂交变载荷的使用要求，而且可以缓解焊接应力集中，控制结构失效方式，提高产品的使用可靠性。由于焊接过程中存在着不均匀的应力，导致了焊接过程中的缺陷。在节点焊接时，要尽可能减少塑性区的大小，并对塑性区的分布及位置进行控制；从焊接工艺的观点出发，尽可能减小焊接的数目和尺寸，对内部应力源及加热区域进行严格的控制；防止焊接点的集中交叉排列，使应力分布更加均匀；降低结构受拉部位的连接数目，严禁在危险部位设置焊接；采用低刚性连接，提高了塑性形变的强度和应力的释放；充分考虑到焊接区的可及性和使用的便利，以确保焊缝的质量，防止因焊缝部位的应力集中而产生的裂纹。

3.2合理布置焊接顺序

焊接顺序涉及热源移动和材料冷却顺序，是控制焊接变形的关键。合理地焊接顺序可以有效降低工件焊接后的残余应力并改善其分布，避免焊接后出现收缩、扭转、弯曲、变形等现象，从而提高工件的使用性能和寿命。焊接顺序应遵循以下原则：先焊两端，后焊中间；先焊内侧，后焊外侧；先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊对接，后焊搭接或角接；先焊焊缝的稀疏面，后焊焊缝的密集面；长焊缝应向后焊接或用跃进法交替焊接；平行焊缝应同时在同一方向对称焊接。焊接对接接头时，先平对焊，再水平对焊，然后垂直对焊；焊接角焊缝时，应先进行垂直角焊，再进行平角焊，仰角焊应转为平角焊；多层和多道焊缝的相邻层应交错进行。

3.3随焊锤击调控

随焊锤击调控法是用锤子锤击焊接区及其周围区域，通过扩大焊缝金属来消除某些焊点的收缩，降低焊点的剩余拉伸应力。在焊接过程中，要在焊接处回复弹性。这时，焊接材料的可塑性和韧性都很高，锤打的结果是良好的。锤打的力量要适度，锤打得过猛，会产生表面裂纹，通常会有一层薄片。锤击能有效地减小焊接过程中的焊接残余应力及热影响区的残余应力，使锤击表面一定深度的剩余拉应力变为压应力。采用焊接或位移控制负载，可以实现低应力焊接。减少残余应力的关键在于保证焊件在冷却过程中能充分地形成塑性变形。

3.4热时效调控

热老化控制包括焊前预热处理、焊后热处理和火焰改性。在焊接前对整个或部分对接焊件进行均匀的预热处理，可以减缓焊接界面的温度梯度，从而避免热裂纹、脆弱的马氏体和残余应力的形成。焊后热处理可有效降低大多数金属焊件的残余应力，但不适用于易过老化的沉淀硬化合金、热膨胀系数差异较大的异种焊接接头、易产生热裂纹或应力释放裂纹的部件的残余应力控制。

3.5力学形变调控

力学变形控制主要包括拉伸、振动时效、爆炸等。降低残余应力的基本原理是用某种方法对焊缝及其周围区域施加外部载荷。拉伸法包括机械拉伸法和温差拉伸法。机械拉伸法的外加载荷是机械拉伸应力或压缩应力。加载应力越大，接头相应的压缩塑性变形就越强，内应力的降低也就越大。温差拉伸法是利用局部加热温差的膨胀和收缩效应来改变残余应力的分布状态，调整受拉焊缝区，适用于焊缝规则、厚度小于40mm的板壳结构的应力降低或矫正。

结语

残余应力分布不平衡，容易导致焊接件变形不稳定、裂纹扩展，甚至断裂失效，对产品的安全性、稳定性和可靠性产生不利影响。在焊接部件的设计、生产和服务中，减少、均匀化和调节残余应力是非常重要的。

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