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1、一、焊接残余应力的分类1根据应力性质划分：拉应力、压应力2根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力3根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力4根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力5根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力二、焊接残余应力的分布规律1纵向应力x 的分布x 在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。x在焊件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，x=0，越靠近纵截面的中间，x越大，逐渐趋近于s。板边堆焊时，x在焊缝横
2、截面上的分布。焊接对接圆筒环焊缝的纵向残余应力（切向应力）分布如图3所示。它的残余应力分布不同于平板对接，其x的大小与圆筒直径、壁厚、圆筒化学成分和压缩塑性变形区的宽度有关。T 形接头的x分布与立板和水平板尺寸有很大关系，/h越小，接近于板边堆焊的情况；/h越大，接近于等宽板对接的情况。2横向应力y 的分布 y =y+yy：焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力；y：焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。图5(a)所示为两块平板对接的板件，图中表示连接后室温板件的应力分布。板件中间受拉，两侧受压。如果假想沿焊缝中心将板件一分为二，就相当于板边堆焊，有焊缝一边产生压缩变形
3、，无焊缝一边出现伸长变形见图5(b)，要使两块板件恢复原来位置，应在两端加上横向拉应力。由此推断，焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩会使用板件两端存在着压应力，而中心部位存在着拉应力见图5(c)。同时两端压应力的最大值要比拉应力的值大得多。图6所示为不同长度的焊缝其y的分布规律，只是长焊缝中部的拉应力将有所降低，其他的基本相同。焊缝的横向应力分布还与焊接速度、焊接方向和顺序等有关。长焊缝平板对接，焊接速度很慢，在引弧端会产生高值的横向拉伸残余应力，而在焊缝中部为压应力。由此看出，慢焊速平板对接焊缝的横向应力分布图形的正负符号，与短板快速焊时图6所示的符号相反。不同焊接方向y的分布规律也不相同。一
4、条焊缝如果不能同时完成，先焊部分先冷却，后焊部分后冷却。先冷却的焊缝限制后冷却焊缝限制后冷却焊缝的横向收缩。这种相互制约构成了横向应力y。此外，一条焊缝从中间分成两段焊时，先焊的焊缝部分受压，后焊的焊缝部分受拉（见图7，图中箭头表示焊接方向），直通焊的尾部y受拉。分段焊法的y有多次正负反复，拉应力峰值往往高于直通焊。从以上分析可知，横向应力应y和y和y组合而成。从减小总横向应力y来看，应合理地选用不同的分段和不同的焊接方向。3特殊情况下的焊接残余应力 厚板中的焊接残余应力 封闭焊缝中的残余应力 焊接梁柱中的残余应力 拘束状态下焊接残余应力3.1 厚板中的残余应力图8所示为厚板对接多层焊模型的横
5、向残余应力分布情况。图8(a)中间为填充材料，随着填充材料厚度的增加，横向收缩应力y也沿z轴向上移动，并在已填充的坡口的纵截面上引起应力。若板材在焊接中可自由变形，即板边在无拘束的情况下，随着坡口填充层的增加，产生急剧的角收缩，导致横向残余应力在焊根部位为高值拉应力，如图8(b)所示。相反，厚板根部如果采用刚性约束，则发生图8(c)所示的根部为高值横向残余压应力。前面已述，厚板结构中除了存在纵向和横向应力之外，还存在着较大的厚度方向的残余应力z。这三个方向的残余应力在厚度方向上的分布很不均匀。其分布与焊接工艺有直接的关系。图9所示材料为低碳钢，在图中的技术条件下，焊后焊缝根部y的值极高，大大超
6、过了材料的屈服强度s，产生这种情况的原因是，多层焊时每焊一层一道都会使焊接接头产生一次角变形，在根部引起一次拉伸塑性变形。数次塑性变形的积累，使根部金属发生硬化，应力不断上升，严重时会导致焊缝根部开裂。焊接时，如果限制焊缝的角变形，则根部可能出现压应力。3.2 封闭焊缝的残余应力分布封闭焊缝如管道接管、人孔法兰、镶块，在船舶、换热器、锅炉、压力容器、壳体等结构上经常会使用。这些焊缝是封闭的，拘束度大，因此焊接残余应力比自由状态下焊接大。图10所示为封闭焊缝的残余应力，图中曲线表明内板部位是一个均匀的双轴拉应力区，即径向应力r等于切向应力；径向应力r和切向应力均为拉应力，在焊缝附近的切向拉应力为
7、最大；焊缝外侧拉应力逐渐下降，切向应力变为压应力。残余应力值的大小和分布规律与镶入体本身的刚度和圆形封闭焊缝的半径R有直接关系。当R趋于零时，则为点状加热时的残余应力场。当R逐渐增大时，切向应力和径向应力曲线也做相应的变形。当R时，圆形封闭焊缝近似直线焊缝，径向应力则变为沿焊缝方向的纵向应力，切向应力则是垂直于焊缝方向的横向应力。3.3 工字梁中的残余应力梁、柱、工字梁是在框架结构、起重设备、钢结构厂房框架等中用来承受载荷的。它的加工方法不同残余应力分布也不同。图11所示为低碳钢焊接工字梁中的纵向焊接残余应力分布情况。由图中看出，在腹板的中间部位是压应力区，而且压应力的数值也较高见图11(a)
8、。在腹板的两端焊缝处和上、下冀板焊缝周围以及板边主要产生的都是残余拉应力，并且腹板和冀板周围拉应力重叠。如果冀板采用火焰切割，焊接后在冀板边缘仍保留有火焰切割所产生的残余拉伸应力见图11(b)。因此，火焰切割下料的冀板边的残余应力与其他方法切割不同。3.4 拘束状态下焊缝的残余应力分布焊缝在钢结构中处于拘束状态有时是不可避免的。拘束状态下焊缝的残余应力与自由状态不同，拘束状态下的焊缝在加热和冷却过程中均受到周围焊缝的约束，既不能自由伸长也不能自由缩短，使焊缝的残余应力分布发生了一些变化。图12所示为一个封闭试板框架，在焊接中间焊缝时受到框架本身结构的约束，其焊接内应力将出现附加的横向应力f，这
9、部分应力并不在中间杆件内平衡，而在整个框架上平衡，为此称为反作用内应力。反作用内应力f与y相叠加（见图右侧yf沿焊缝长度分布情况）形成一个以拉应力为主的横向内应力分布区。三、焊接残余应力对焊接结构的影响对结构刚度的影响对受压杆件稳定性的影响对静载强度和脆断的影响对疲劳强度的影响对应力腐蚀开裂的影响对焊接冷裂纹的影响对焊接加工精度和尺寸稳定性的影响四、减小焊接残余应力的措施一般来说，可以从设计和工艺两方面着手：1设计措施尽可能减少焊缝数量；合理布置焊缝；采用刚性较小的接头形式。2工艺措施（1）采用合理的装配和焊接顺序及方向钢板拼接焊缝的焊接；同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时，应先焊收缩量大的焊
10、缝；对工作时受力较大的焊缝应先焊；平面交叉焊缝的焊接。（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差（预热法、冷焊法）（3）加热“减应区”法（4）降低接头局部的拘束度（5）锤击焊缝五、消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的方法有焊后热处理、力学形变和温差形变。1 热处理热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松驰焊接残余应力的目的，同时热处理还可以改善接头的性能。焊后热处理包括：整体高温回火和局部回火。高温回火是消除残余应力的最通用的方法，即将焊件放在热处理炉内加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使
11、应力降低。焊后热处理对金属抗拉强度、蠕变极限的影响与热处理的温度和保温时间有关。焊后热处理对焊缝金属冲击韧性的影响随钢种不同而不同。热处理方法的选择 焊后热处理一般选用单一高温回火或正火加高温回火处理。对于气焊焊口采用正火加高温回火热处理。这是因为气焊的焊缝及热影响区的晶粒粗大，需要细化晶粒，故采用正火处理。然而单一的正火不能消除残余应力，故需再加高温回火以消除应力。单一的中温回火只适用于工地拼装的大型普通低碳钢容器的组装焊接，其目的是为了达到部分消除残余应力和去氢。绝大多数场合是选用单一的高温回火。热处理的加热和冷却不宜过快，力求内外壁均匀。 焊后热处理的加热方法 感应加热。钢材在交变磁场中
12、产生感应电势，因涡流和磁滞的作用使钢材发热，即感应加热。现在工程上多采用设备简单的工频感应加热。 辐射加热。辐射加热由热源把热量辐射到金属表面，再由金属表面把热量向其他方向传导。所以，辐射加热时金属内外壁温度差别大，其加热效果较感应加热为差。辐射加热常用火焰加热法、电阻炉加热法、红外线加热法。消除残余应力的效果主要取决于焊件整体或局部加热温度、焊件的成分和组织、保温时间长短、冷却速度以及焊后焊件的状态等。对于同一种材料，回火温度越高，保温时间越长，残余应力越小。图1所示为低碳钢在不同温度下，经不同时间的保温，残余应力消除的效果。此外，采用整体回火效果好于局部回火。对于某些残余应力较小不允许或不
13、可能整体回火的焊件，可采用局部回火。对碳钢及中、低合金钢，加热温度为580680；铸铁为600650，保温时间一般根据每毫米板厚保温12min计算，但总时间不少于30min，最长不超过 3h。目前，整体高温回火仍是一种主流工艺，其具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为整体高温回火的消应力效果为4080；然而对钢结构而言，现场拼焊而产生的残余应力将依然存在于钢结构中，而在现场进一步采用整体回火工艺就十分困难了；局部回火处理可以降低被处理焊接接头的应力，但加热带边缘会产生新的热处理应力，不能完全消除残余应力，且局部热时效实施比较困难，能耗很大。因此，需考虑其它补充、替代工艺。2 力学形变
14、力学形变包括锤击处理、机械碾压、超声冲击、振动处理、过载处理和爆炸处理等。锤击法焊后采用带小圆头面的手锤锤击焊缝及近缝区，使焊缝及近缝区的金属得到延展变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，使焊接残余应力降低。锤击时要掌握好打击力量，保持均匀、适度，避免因打击力量过大造成加工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及时锤击，除打底层不宜锤击外，其余焊完每一层或每一道都要进行锤击。锤击铸铁时要避开石墨膨胀温度。应用人工或气动的锤击消应力工艺，通过敲击振动及表面压应力屈服实现消应力效果。该工艺已进入美国钢结构焊接规范，我国也成功应用于大型转炉的焊接和大型水轮机异重金属焊接的消应力处理。由于锤击工艺难
15、以规范，对周边干扰大，劳动强度高，往往作为补充、应急工艺。机械碾压机械碾压改变了以往单靠人力锤击的弊端，它采用冲击碾压头锤击。消除残余应力的效果能达到90%。该方法不仅可以完全消除焊接区残余拉应力，还可以在焊接区造成残余压应力。同时对焊接的断裂韧性有所改善。超声冲击超声冲击消应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。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345
16、5。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。由于冲击工艺处理的特点，仅可以用于冲击工具可达的外表面，其工作效率约为1200mm2/min。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。振动消除法（VSR）振动消除残余应力处理是对构件施加交
17、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；这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处和构件的应力集中点，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。通常，该方法利用偏心轮和变速马达组成的激振器，钢结构焊接件在激振器上发生共振所产生的循环应力来减低内应力的。图2所示是截面为30mm50mm一侧堆焊的试件，经过max128N/mm3和min5.6N/mm3多次应力循环后，残余应力的变化情况。由图中看出，当载荷达到一定数值，经过多次循环加载后，焊件中的残余应力逐渐降低。应用振动消除残余应力技术在我国已达25年，相继出台三个技术标准，技术成熟。由于该方法
18、所用的设备简单、处理成本低、经济性好，方法简单、时间比较短、工艺快捷、效果显著、适用面广，且不受构件的大小、重量以及场地的限制、同时没有高温回火给金属表面造成的氧化问题，已广泛应用于机床、起重运输、冶金、化工等制造业，也渗入到核工业（核反应堆内构件、核聚变设备）、磁悬浮交通、宇航等高尖领域。振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动，是目前国内外正在研发的新技术；在振动时效标准的附录中，已确认为可与振动时效组合的工艺之一。其不改变原有的焊接工艺；在焊接过程，通过一个几百瓦的小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。这种限幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用：当焊缝金属在熔融状
19、态下，由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。在结晶过程振动可细化晶粒，使焊缝的力学性能得到提高。温度大于600的区域，材料在强度逐步恢复的冷却过程中，伴随振动的热塑性变形，使逐步形成的焊接残余应力得到降低和均化，可减少焊接变形及焊接裂纹的形成。国内外的研究和实验都表明，振动焊接工艺经济、简便、高效，特别是可以在大型焊接钢结构上实施，振动焊接在降低焊缝残余应力、减少工件变形、提高结构疲劳寿命、提高接头力学性能，即全面提高焊缝质量方面有显著作用。基于振动焊接的优点，在我国重大工程中，对一些采用热时效工艺有困难的结构，已开始试验振动焊接工艺，包括核聚变试验装置、大厚壁高炉炉体、大直径阀体等。若能加强
20、振动焊接在建筑钢结构上的应用试验和技术标准的建设，振动焊接很可能成为补充、替代传统热时效的又一重要工艺。过载处理过载处理是对焊接结构进行加载,使焊接压缩塑性变形区得以拉伸,可减少由焊接引起的局部压缩塑性变形量,使焊接应力得以降低。过载消除残余应力的效果取决于过载应力水平。当过载应力达到材料的屈服点时，残余应力将全部消除。该方法不能明显改变材料的力学性能，因此为避免过载导致结构中的缺陷失稳扩展引起断裂，过载处理必须在材料相应应力的止裂温度以上进行。爆炸法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。研究表明，爆炸处
21、理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力，如果需要，还可以在焊接区造成残余压应力。在爆炸冲击波的作用下，还可以改善材料本身的组织性能。资料显示，该方法消除厚度达70mm钢板残余应力的效果可达60，瞬间完成。因此，经过爆炸处理的构件，可以得到如下结果：1. 提高了结构尺寸稳定性2. 明显提高焊接结构构件的抗应力腐蚀能力3. 改善了焊件的疲劳性能。不仅因为残余应力松弛，表面诱导产生的残余压应力也很重要。同时，爆炸还能改善金属本身的组织结构。4. 可以提高焊接结构的抗脆断能力5. 对构件中残存缺陷有改善作用。研究表明，经过爆炸处理的带裂纹试件，断裂韧性改善了。爆炸处理不受构件尺寸的限制，特别适合大型，超大
22、型焊接结构消除焊接残余应力的处理。对一些具有再热裂纹倾向材料和退火无法解决的异种钢以及用热处理难以解决的不锈钢等材料的焊后残余应力的消除特别适合。3 温差形变温差拉伸法用焊件局部加热的温差来拉伸焊缝区,两侧温度高,焊接区温度低,两侧受热膨胀金属对温度较低的区域进行拉伸,可消除部分应力。逆焊接温差处理逆焊接温差处理是近年来我国出现的一种新的消除焊接残余应力的技术。该方法的优点是可以在被处理表面形成双向的压缩残余应力层。它的基本原理是：利用与焊接加热相反的方法（即所谓逆焊接），采用冷却介质使焊接区获得比相邻区（母材）为低的负温度（该温度远低于焊接正温度），在冷却过程中，焊接区由于受到周围金属的拉伸
23、而伸长塑性形变，从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性形变，达到消除残余应力的目的。如果温差足够大（300500，取决于材料性质），就会在处理表面形成双向的压缩残余应力层。该方法特别适用于有防止应力腐蚀要求的焊接结构。两种方法相比，它们之间有很大的不同，逆焊接温差处理主要利用冷源在钢板表面造成的沿厚度方向分布不均匀的温度场，使表面层在冷却收缩过程中受到内层较高温度金属的拉伸作用，从而产生伸长塑性形变。当冷源强度足够大时，不仅可以消除处理表面的残余拉应力，还可在表层附近形成一定的双向压缩残余应力，数值大小可灵活控制。而普通的温差拉伸法利用近焊缝区和临近母材的温差，利用被局部加热母材的膨胀对较冷焊缝的拉伸作用使之产生伸长形变，一般能获得较好的消除纵向残余应力的效果，而消除横向残余应力或形成压应力的效果不理想。