浅析消除焊接残余应力的焊接措施

浅析消除焊接残余应力的焊接措施 摘要：构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。本文就此客观规律，分析如何消除焊接残余应力的焊接措施。 关键词：焊接应力；应力变形；焊接措施。 Abstract ：Instantaneous stress formed during welding components, the generation after welding residual stress, and also produce the residual deformation, this is the objective law based on this objective law, analyzes how to eliminate the residual stress welding welding measures 关键词：The welding stress; Stress deformation; Welding measures 中图分类号：P755.1文献标识码：A 文章编号： 构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。一般我们在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时所增加的瞬时应力与焊接残余应力。工程主体结构中，大部分构件均属刚性大、板材厚的构件，虽然残余变形相对较小，但同时会产生巨大的拉应力，甚至导致裂纹。在未产生裂纹的情况下，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中往往导致构件失稳、变形甚至破坏。 因此焊接应力的控制与消除在工程制作过程中显得十分重要。应优先于构件的残余变形给予考虑。 尽管采取一些焊接措施来控制焊接应力，但因工程构件的特殊性，焊接完工后依然存在相当大的应力，为此有必要从以下几个方面来采取措施，进一步消除构件残余应力。对于钢结构常用的应力消减方法主要有热时效法、VSR振动时效法、超声冲击与锤击、冲砂除锈法和加热减应区法五种，具体介绍如下： 1.VSR振动时效法 振动时效的原理就是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力，使其产生共振，从而使工件获得一定的振动能量，使工件内部产生微观的塑性变形，从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态，晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎，使得残余应力得以被消除和均化。振动时效法具有周期短、效率高、无污染的特点，且不受工件尺寸、形状、重量等限制，已经过大量的工程实践证明，对消除工件应力是有明显效果的。 优点：降低工件内残余应力（峰值）30%-80%，与传统的热时效（TSR）相当，工件无氧化脱碳现象，无需清理氧化皮，减少了辅助工时。 与TSR（热时效）相比提高了工件抗载荷变形能力，VSR工艺的应用使工件抗静载变形能力提高30%以上，抗动载变形能力提高1-3倍多。是目前超大型结构件和多种材料组合的结构件唯一时效方法，VSR还适用于二次时效（一般在半精加工后），是唯一不受场地、环境、工序和工件形状限制的处理方法。运行费用低，VSR时效振动工艺的耗能仅为TSR热时效的1-2，需人工0.1-0.2工时/吨，可有效降低工程施工成本。 缺点：对残余应力的消减更多意义上是“削峰平谷”，对内部的平均残余应力并没有过多消减。 VSR时效振动工艺设备：主要由激振器，电脑控制器，传感器和打印输出等几部分组成。设备是将带有偏心轮的激振器牢固地夹持在被振工件上，激振器电动机带动偏心轮转动，产生沿垂直方向的周期激振力，使被振工件在其固有频率下振动20至30分钟，电脑控制器可使系统进入智能工作程序，即自动扫频，自动选择工艺参数，自动时效处理，结束后打印工艺参数和绘制工艺曲线。 2.超声冲击与锤击 超声冲击（UIT）的基本原理就是利用大功率超声波推动工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表面产生较大的压塑变形，同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。此种方法对消除应力极为有效，经对650*650*80箱形柱进行超声波震动消应力测试，焊接残余应力的消除率达75%以上。 超声冲击消应力工艺的特点是：在超声频率（16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；试验表明：超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲击的表面会形成压应力，对24mm深度层消应力效果可达3455。采用焊趾冲击法，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，下降率达19，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。 冲击工艺是以点接触、压应力屈服为主要特征的“面效应”型消应力工艺，伴随一定的振动时效效果，比较适合高拘束状态短焊缝的局部处理。如局部的焊接修复、大构件的组配焊接以及在厚壁结构上焊小构件，其焊缝处承受较大的拘束应力，且焊后易产生延迟冷裂纹等情况。可作为其它消应力工艺的补充工艺。 3.传统的热时效（TSR） 热时效（退火处理）就是将构件由室温(或不高于150)缓慢、均匀加热至550左右,保温48小时,再严格控制降温速度至150，达到消除残余应力的目的。优点：具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为4080，可以保证加工精度和防止裂纹产生。缺点：一是由于受时效炉体积的限制，只能对构件体积较小，重量不大的构件进行TSR。二是成本较高，每吨结构件的退火费用将高达人民币600-800元，三是消除了拉应力的不利影响的同时，也消除了压应力的有利影响。 4.冲砂除锈法消除应力 因为冲砂除锈时，喷出的铁砂束高达2500MP/cm2，用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀的冲击，除了达到除锈效果外，对构件的应力消除亦将会起到良好的效果。 5.进行局部烘烤释放应力 构件完工后在其焊缝背部或焊缝二侧进行烘烤。此法过去常用于对“T”形构件焊接角变形的矫正中，不需施加任何外力，构件角变形即可得以校正。由此可见只要控制加热温度与范围，此法对消余应力是极为有效的。 References 1曾振宁,武传松,吴林.TIG焊接熔透熔池的数学模型J.焊接学报,1996,17(4):62-70. 2李义丹,辛国春,李振国.正态分布焊接热源三维温度场的解析计算J.焊接学报,1997,18(4):251-255. 3雷卡林.焊接热过程计算M.北京:机械工业出版社,1951. 4BONIFAZ E A. Finite element analysis of heat flow in single-pass arc welds J.Welding Journal,2000,79(5):121-s-125-s. 5OHRING S,LUGT H J. Numerical simulation of a time-dependent 3-D GMA weld pool due to a moving arc J.Weld-ing Journal,1999,78(12):416-s-423-s. 6张初冬.焊接过程瞬态组织