焊接殘余應(yīng)力的控制和消除

說起焊接，最直觀的印象就是焊渣四濺的火熱場面。如果給它一個相對嚴謹?shù)亩x，焊接是指通過采用物理或化學的方法，使分離的材料產(chǎn)生原子或分子結(jié)合，形成具有一定性能要求的整體的一種加工工藝。

殘余應(yīng)力是在無外力作用時，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。各種機械工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會使工件內(nèi)出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力。[2]殘余應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因是物體內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻的彈塑性形變。

將上述兩個關(guān)鍵詞疊加，就是本文的關(guān)注對象焊接殘余應(yīng)力。由于焊接時局部不均勻熱輸入，導致構(gòu)件內(nèi)部溫度場、應(yīng)力場以及顯微組織狀態(tài)發(fā)生快速變化，容易產(chǎn)生不均勻彈塑性形變，因此采用焊接工藝加工的工件較其他加工方式而言受到殘余應(yīng)力作用的影響較為突出。

焊接殘余應(yīng)力是焊件產(chǎn)生變形、開裂等工藝缺陷的主要原因，焊接變形在制造過程中危及形狀與尺寸公差、接頭安裝偏差和增加坡口間隙，使制造過程更加困難；焊接殘余應(yīng)力可使焊縫特別是定位焊縫部分或完全斷開；機械加工過程中釋放的殘余應(yīng)力也會導致工件產(chǎn)生不允許的變形。同時，焊接殘余力可能引起結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，拉伸殘余應(yīng)力會降低疲勞強度和腐蝕抗力，壓縮殘余應(yīng)力會減小穩(wěn)定性極限。[2]因此，焊接殘余應(yīng)力一直是焊接界關(guān)注的重點問題之一。
 

圖1 焊接殘余應(yīng)力的危害

一、焊接殘余應(yīng)力形成機制

想要找對控制和消除焊接殘余應(yīng)力的方法，首先需要認識其形成機制作為基礎(chǔ)。焊接是一個復雜的物理化學過程，其中的物理現(xiàn)象包括傳熱、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變等，焊接殘余應(yīng)力的形成也是多種因素交互作用的結(jié)果，因此關(guān)于其形成機制的研究也歷經(jīng)了不斷發(fā)展完善的過程。焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機制理論認知演化過程如圖2所示。

 
圖2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機制理論演化過程

20世紀70年代初期大致奠定了焊接殘余應(yīng)力和變形理論的基礎(chǔ)。蘇聯(lián)的H.O.奧凱爾布朗姆和C.A庫茲米諾夫的著作里提出了一維條件下的殘余塑變理論，即認為焊接加熱過程中焊縫和近縫區(qū)的金屬熱膨脹應(yīng)變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。焊接冷卻過程中該壓縮塑性應(yīng)變被拉伸抵消一部分，但焊后仍殘留部分壓縮塑性應(yīng)變，稱為殘余壓縮塑性應(yīng)變。

上述一維條件下的殘余塑變理論假定焊縫處一直就是原來工件的一部分，經(jīng)歷了加熱和冷卻的全過程。2000年，有學者對上述殘余塑變理論提出質(zhì)疑，認為該理論忽略了一個基本事實，即大多數(shù)情況下焊縫處由熔化的金屬填充，焊縫可以說是直接從高溫冷卻下來的，僅經(jīng)歷了冷卻過程。認為焊縫處從高溫冷卻下來受到周圍的拘束只會產(chǎn)生拉伸塑性應(yīng)變，并從此角度出發(fā)解釋消除焊接殘余應(yīng)力的原理，認為消除應(yīng)力的過程實質(zhì)就是將拉伸彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變成拉伸塑性應(yīng)變的過程。[6]
2002年，有學者通過分析兩端拘束桿件和長板條焊件的一維簡化模型，首先認同了傳統(tǒng)殘余塑變理論，即假定焊縫本身經(jīng)受加熱和冷卻過程，完全冷卻后焊縫處存在殘余壓縮塑性應(yīng)變。對于焊縫是填充金屬直接從高溫冷卻下來的假設(shè)情況，則由于熱收縮應(yīng)變被冷卻過程中的拉伸塑性應(yīng)變抵消一部分，完全冷卻后焊縫處存在殘余熱收縮應(yīng)變。通過分析，殘余壓縮塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變兩者是等價的。該理論解釋了無坡口焊縫工件與有坡口填充焊縫工件焊接時殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生的結(jié)果完全類似的現(xiàn)象。引入“固有應(yīng)變”概念，認為焊接殘余應(yīng)力是在固有應(yīng)變源作用下構(gòu)件自動平衡的結(jié)果。

 
圖3 長板條焊接時應(yīng)力應(yīng)變
 

2003年，又有學者對前述觀點產(chǎn)生質(zhì)疑，認為雖然殘余壓縮應(yīng)變和殘余收縮應(yīng)變在導致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的作用方面是等價的，但其本質(zhì)卻有不同，區(qū)別二者對焊接殘余應(yīng)力形成過程的貢獻是有意義的，對于研究和開發(fā)新的焊接殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)有指導作用。在不考慮相變的情況下，除了傳統(tǒng)機理所描述的母材中的壓縮塑性變形引起焊接殘余應(yīng)力之外，焊縫金屬冷卻時的收縮受到制約也是導致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因。該學者認為在不考慮相變應(yīng)變時，焊縫處的固有應(yīng)變應(yīng)為塑性拉伸應(yīng)變。

 
圖4 低碳鋼焊接時縱向應(yīng)力應(yīng)變分布

圖中下部剖面線區(qū)域為塑性拉伸區(qū)。圖中所描述的板上堆焊模型只適于描述堆焊耐磨層等場合。

總結(jié)起來，對于焊縫處的殘余應(yīng)力，有壓縮塑性應(yīng)變和拉伸塑性應(yīng)變之爭，對于焊接殘余應(yīng)力的認識在認同或質(zhì)疑中不斷加深。若僅就其內(nèi)拘束度的效果而言，焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機理可表述如下：焊接熱輸入引起材料不均勻局部受熱，使焊縫區(qū)熔化；而與熔池毗鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性形變；在冷卻過程中，已發(fā)生塑性變形的這部分材料（如長焊縫的兩側(cè)）又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上被拉伸形成拉應(yīng)力；與此同時，熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時也將產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力。

二、焊接殘余應(yīng)力控制和消除

要達到降低焊接工件殘余應(yīng)力的目的，可以考慮兩個方面：一個是控制焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，從源頭上減小殘余應(yīng)力；二是在焊后通過方法消除殘余應(yīng)力。

2.1焊接殘余應(yīng)力控制

控制焊接殘余應(yīng)力，即在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中采取一些適當?shù)拇胧┮詼p小焊接殘余應(yīng)力。一般來說，可以從設(shè)計和工藝兩方面著手，設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，在不影響結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，應(yīng)盡量考慮采用減小和改善焊接應(yīng)力的設(shè)計方案；另外，在制造過程中還要采取一些工藝措施，以使焊接應(yīng)力減小到最低程度。焊接殘余應(yīng)力控制方法總結(jié)如圖5所示。

 
圖5 焊接殘余應(yīng)力控制方法

例：焊接結(jié)構(gòu)和順序?qū)附託堄鄳?yīng)力影響

有學者采用有限元分析焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響。采用有限元分析軟件MSC.Marc，對使用高強鋼制造的工程機械常用局部加強貼板焊接結(jié)構(gòu)進行焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬計算分析。經(jīng)過對四種不同結(jié)構(gòu)和焊接順序的計算，對比分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)拘束和焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力有重要影響，局部加強貼板增加結(jié)構(gòu)拘束度，導致焊接殘余應(yīng)力增大；先焊主結(jié)構(gòu)，再焊局部加強貼板，焊接殘余應(yīng)力最大。因此，合適地設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序有利于降低結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力，提高焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。

 
圖6 焊接殘余應(yīng)力與徑向位置的關(guān)系曲線

A結(jié)構(gòu)有加強環(huán)，B結(jié)構(gòu)無加強環(huán)；1和2結(jié)構(gòu)焊接順序不同。

2.2焊接殘余應(yīng)力消除

殘余應(yīng)力的消除方法可分為機械作用方法和熱作用方法。機械的方法是利用外力使材料內(nèi)產(chǎn)生塑性變形來達到降低殘余應(yīng)力的目的。理論上講，只要外力使性質(zhì)均勻的構(gòu)件整體同時達到屈服，全部消除殘余應(yīng)力是可能的。但實際上由于種種困難，用這種方法想把應(yīng)力完全消除是難以實現(xiàn)的。用熱作用消除殘余應(yīng)力與蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象有密切關(guān)系。用熱作用去除殘余應(yīng)力時，只要退火溫度和保溫時間適宜，應(yīng)力是完全可以消除的，但與此同時卻會造成材料硬度和其他機械性能下降，并且因熱作用而產(chǎn)生的組織變化也是不可避免的。焊接殘余應(yīng)力消除方法總結(jié)如圖7所示。

 
圖7 焊接殘余應(yīng)力消除方法

例：焊后熱處理對焊接殘余應(yīng)力的影響

有學者研究了焊后熱處理對20MnNiMo焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。制定焊接方案和焊后熱處理方案，并通過盲孔法對焊接接頭表面殘余應(yīng)力進行測定和記錄，研究得到了焊后熱處理對20MnNiMo厚板焊接接頭殘余應(yīng)力場分布的影響。結(jié)果表明，焊后去應(yīng)力退火可以很好的減小20MnNiMo厚板焊接殘余應(yīng)力，去應(yīng)力效果顯著，可以很好地改善20MnNiMo焊接殘余應(yīng)力的分布。

 
圖8 焊態(tài)和退火后殘余應(yīng)力分布圖

傳統(tǒng)方法里，焊接工藝中方案設(shè)計、工藝制定等更多依賴于設(shè)計施工人員的經(jīng)驗和技術(shù)，最佳工藝方案和焊接參數(shù)的篩選等工作需要在車間或?qū)嶒炇依镞M行大量的試驗工作，對人力、物力和時間都是浪費。隨著焊接領(lǐng)域研究的不斷深入發(fā)展，學者們一直不斷將各種基礎(chǔ)理論的新成果引入到焊接過程的研究中，使得焊接工藝過程中的很多現(xiàn)象不僅可以從本質(zhì)上進行理論解釋，還可以進行定量分析、模擬和理論預(yù)測，這就為焊接過程模擬技術(shù)提供了基礎(chǔ)。目前，焊接過程模擬技術(shù)已成為焊接領(lǐng)域的研究熱點。通過計算機模擬技術(shù)，可以模擬焊接過程溫度場、殘余應(yīng)力的動態(tài)變化，為殘余應(yīng)力控制和消除提供了理論指導。

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