焊接應力的產(chǎn)生原因以及消除方法

時間：2020-04-16

焊接應力，是焊接構件由于焊接而產(chǎn)生的應力。焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應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)生焊接應力和變形的根本原因。

當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中的這種應力和變形稱為瞬態(tài)焊接應力和變形;焊接溫度場消失后的應力和變形稱為殘余焊接應力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀。

一、焊接應力的危害

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

焊接殘余應力對焊件有 6個方面的影響：

① 對強度的影響：如果在高殘余拉應力區(qū)中存在嚴重的缺陷，而焊件又在**脆性轉變溫度下工作，則焊接殘余應力將使靜載強度降低。在循環(huán)應力作用下，如果在應力集中處存在著殘余拉應力，則焊接殘余拉應力將使焊件的疲勞強度降低。焊件的疲勞強度除與殘余應力的大小有關外，還與焊件的應力集中系數(shù)應力循環(huán)特征系數(shù)[6][min]/[6][max]和循環(huán)應力的較大值[6][max]有關其影響隨應力集中系數(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[6][max]接近于屈服強度時，殘余應力的影響逐漸消失。

② 對剛度的影響：焊接殘余應力與外載引起的應力相疊加，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，焊接殘余應力與外載所引起的應力相疊加，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。殘余應力對穩(wěn)定性的影響取決于桿件的幾何形狀和內(nèi)應力分布。殘余應力對非封閉截面(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)定性又受到殘余應力穩(wěn)定性的影響。

⑥ 對耐腐蝕性的影響：焊接殘余應力和載荷應力一樣也能導致應力腐蝕開裂。

二、焊接殘余應力對結構和構件的影響

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

對結構剛度來說，當外載產(chǎn)生的應力δ與結構中某區(qū)域的殘余應力疊加之和達到屈服點fy時，這一區(qū):域的材料就會產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進一步承受外載的能力，造成結構的有效截而積減小，結構的剛度也隨之降低。

結構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)生殘余拉伸應力，雖然在構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)定性要求較高的結構是不容忽視的。

三、焊接應力的消除方法

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

(1)整體熱處理

對重要的焊接構件**行整體熱時效，然后再現(xiàn)場與其他構件進行組合焊接的拼焊工藝是建筑鋼結構制造常采用的方法。其具有焊縫去氫、恢復塑形和消除應力的三重功能。一般認為熱時效的消除應力的效果為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，往往成為結構疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG重熔工藝對焊趾進行修整，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)的橫向殘余應力;重熔對于焊縫縱向殘余應力的改善不明顯，殘余應力**值下降不大;但對于縱向殘余應力的均勻分布有一定效果。但對橫向殘余應力有明顯的改善效果，殘余應力的**值下降明顯而且分布趨于均勻。

(3)振動時效

振動時效是對構件施加交變應力，與構件上的殘余應力疊加達到材料的屈服應力，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)生在殘余應力較大和構件應力集中點，使這里的殘余應力得以釋放，達到降低和均化殘余應力的作用。

盡管振動時效設備不具備去氫和恢復塑形的功能，但從尺寸穩(wěn)定性比較，已經(jīng)達到和**過熱時效的水平;振動時效是一種以消除應力、提高尺寸穩(wěn)定性為目的替代熱時效的**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;在振動時效標準附錄中，已確認為可與振動時效進行組合的工藝之一。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當焊縫在金屬熔融狀態(tài)下，由于振動使氣泡、雜質(zhì)等*上浮、排除。

②再結晶過程中振動晶粒，有利于晶粒細化;

③溫度大于600攝氏度的區(qū)域，材料在強度逐步恢復、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、任意工序上進行，讓你隨心所欲，得心應手，使用起來簡單方便)。

③不受工件材質(zhì)、形狀、結構、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時用于消除焊接應力較顯靈活方便。

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，如殘余應力、微觀裂紋和缺陷、焊趾幾何形狀、表面強化等，所以是目前提高焊縫疲勞性能較有效的方法，且有事半功倍之效果。

⑦較適用于大型結構件的工地焊縫、**高**低處焊縫、焊接修復焊縫的消除應力處理

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

(6) 焊接應力消除設備

焊接應力消除設備對焊趾進行沖擊，可以快速修復焊趾的缺陷，降低應力集中，并伴隨其壓應力區(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力。

焊接應力消除設備能以每秒2萬次的頻率沿焊縫方向沖擊焊趾部位，使之產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，使焊趾處發(fā)生圓滑的幾何過渡，大大降低應力集中;消除焊趾處表層的微小裂紋和熔渣缺陷，抑制焊接裂紋的提前萌生，調(diào)整應力場，并產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應力，使焊趾部位得到強化，對提高焊接接頭的疲勞壽命有明顯的作用。

詞條
詞條說明
振動時效具有的特點已實施方案
振動時效具有的特點：1）投資少，生產(chǎn)*2）使用方便，適應性強3）節(jié)約能源，降低成本4）機械性能顯著提高5）符合環(huán)保要求6）操作簡單，易于實現(xiàn)機械自動化。7）可避免金屬零件在熱時效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。四、一般構件實施方案振動時效的實質(zhì)，是在工件的低頻亞共振點，穩(wěn)定地亞共振振動15-30分鐘左右，使共振峰出現(xiàn)變化，內(nèi)部發(fā)生微觀的彈性塑性力學變化，從而實現(xiàn)時效目的。1、
【振動時效儀】振動時效原理概述
振動時效原理概述振動時效應為名字為VSR,以振動的形式給工件施加應力，當施加的應力和工件內(nèi)部的殘余應力疊加之后達到或者**過材料的屈服極限，工件發(fā)生微觀的塑性變形。從而降低工件的殘余應力，達到尺寸精度的穩(wěn)定性。振動時效的實質(zhì)就是金屬晶粒之間的位錯移動、增殖、塞積纏結的過程，振動時效的效果是由位錯密度變化和位錯組態(tài)變化的結果。首先用彈性橡膠墊將要時效處理的工件在其節(jié)線附近支撐起來，并將激振器用弓形卡
VSR-668型振動去應力設備
◎采用高性能嵌入式一體化觸摸屏，嵌入式低功耗CPU為**（ARM CPU，主頻400MHz）的，設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏?！虿捎梅€(wěn)定嵌入式內(nèi)核，在復雜的工作指令下，依舊能保持恒定穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有效杜絕死機、藍屏等問題。◎強大的人機界面中文菜單，智能、編程、手動等多種工作模式，方便快捷，編程數(shù)據(jù)可隨機修改，時效工藝較科學。◎動態(tài)顯示振動曲線及
VSR-70便攜式全自動振動時效
全自動功能：系統(tǒng)采用較新高速單片機，儲存所有振動時效工藝流程，一件操作即可自動執(zhí)行整個振動時效全過程的工藝制定及執(zhí)行。只需安裝激振器、調(diào)整好激振力及加速度傳感器位置、即可一鍵操作全自動振動時效過程。智能掃頻功能：任意設定掃頻范圍，*創(chuàng)的快速智能掃頻，找到固有頻率自動進行振動時效工藝。掃頻精度高、無數(shù)據(jù)遺漏，掃頻速度提高5倍以上。也可以人工選擇激振頻率及振型，可滿足各種類型復雜構件的特殊要求。數(shù)字手