焊接應(yīng)力對構(gòu)件的危害

PAGEPAGE2焊接應(yīng)力對構(gòu)件的危害及消除在前期的文章中我們對車架焊接變形產(chǎn)生的原因及其解決措施的問題進(jìn)行過分析探討，其實(shí)在車架焊接變形過程中同時(shí)還伴隨著焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，焊接應(yīng)力的存在直接影響到車架結(jié)構(gòu)的承載能力、降低焊接接頭及整個(gè)車架構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，在遇到外力作用時(shí)會產(chǎn)生疲勞斷裂或者脆性斷裂而引發(fā)事故。這里我們將針對焊接應(yīng)力對焊接構(gòu)件的影響及其消除措施進(jìn)行闡述。大家都知道沒有外力作用的情況下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力，引起內(nèi)應(yīng)力的原因很多，由焊接加工方法產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力，按照應(yīng)力存在的時(shí)間可分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力就是構(gòu)件焊接及冷卻后殘留在焊件內(nèi)部的應(yīng)力，它對焊接構(gòu)件的強(qiáng)度、腐蝕性能、尺寸穩(wěn)定性等使用性能有著很大的影響。在世界焊接史上有很多因焊接應(yīng)力引起大型構(gòu)件發(fā)生斷裂的事故，如1938年—1940年期間，比利時(shí)Albert運(yùn)河上先后有十多座威廉德式橋梁在載荷不大的情況下突然發(fā)生脆斷事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。最后專家調(diào)查分析確認(rèn)是由于嚴(yán)重應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力高、鋼材性能差，加上氣溫驟冷造成焊接裂紋擴(kuò)展而脆斷[1]。在摩托車焊接構(gòu)件上同樣存在因焊接應(yīng)力引起構(gòu)件破壞的事例。一．焊接殘余應(yīng)力的形成機(jī)理焊接應(yīng)力的形成原因非常復(fù)雜，因?yàn)楸缓附咏饘俨牧系牧W(xué)性能和物理性能隨溫度變化，焊接過程又是一個(gè)不均勻的溫度場在不斷運(yùn)動(dòng)的過程，同時(shí)焊接溫度場又因焊接接頭的形狀、尺寸、焊接工藝參數(shù)等不同而變化，因此分析起來千差萬別。我們舉一個(gè)最簡單的例子來說明焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。圖一是一根等截面的低碳鋼桿件在三種不同固定狀態(tài)下進(jìn)行均勻加熱時(shí)變化示意圖。a)自由變形將桿件一端固定，另一端不受任何約束，從T0進(jìn)行均勻加熱到T1，長度也由原來的L0伸長到LT，自由變形量為ΔLT，自由變形率為ET：ΔLT=αL0（T1-T0）ET=ΔLT/L0=α（T1-T0）α——金屬的線膨脹系數(shù)（1/K）相反，桿件從溫度T1均勻冷卻到T0時(shí)，長度也由恢復(fù)到原來的L0。由于桿件在加熱和冷卻過程中能夠自由伸縮變形，所以最后內(nèi)部未產(chǎn)生應(yīng)力。圖一b）不完全自由變形當(dāng)桿件從T0均勻加熱到Te時(shí),自由伸長了ΔLe,受到拘束不能繼續(xù)變形，這時(shí)就產(chǎn)生了壓應(yīng)力和壓縮彈性變形，隨著溫度的升高，當(dāng)壓應(yīng)力超過材料當(dāng)前溫度下的屈服點(diǎn)δs時(shí)桿件就會發(fā)生壓縮塑性變形，隨著溫度的不斷升高壓縮塑性變形也不斷加大；隨后溫度開始降低，當(dāng)降低到Te時(shí)壓應(yīng)力消失,壓縮彈性變形也消失，溫度恢復(fù)到T0時(shí)，桿件長度小于L0,縮短量就是壓縮塑性變形量，最后桿件內(nèi)不存在應(yīng)力。c)無任何自由變形當(dāng)桿件兩頭剛性固定，不能產(chǎn)生任何伸縮變形時(shí)，重復(fù)b）中同樣的加熱冷卻過程。加熱過程從開始加熱就受到壓應(yīng)力和壓縮彈性變形，當(dāng)加熱到Ts時(shí)壓應(yīng)力超過屈服點(diǎn)δs，桿件產(chǎn)生壓縮塑性變形Es;繼續(xù)加熱到最高溫度Tm，壓應(yīng)力和壓縮彈性變形保持不變，壓縮塑性變形增加到Em，這時(shí)總應(yīng)力為δs，總應(yīng)變?yōu)镋s+Em。冷卻過程溫度從Tm降低到某一溫度時(shí)，壓應(yīng)力和壓縮彈性變形消失，繼續(xù)冷卻時(shí)桿件開始產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸彈性應(yīng)變Es，隨著溫度的降低拉應(yīng)力和拉伸彈性應(yīng)變不斷增加，當(dāng)拉圖二應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)δs時(shí)兩者達(dá)到最大點(diǎn)δs、Es，隨后桿件開始產(chǎn)生拉伸塑性變形，繼續(xù)冷卻到原始溫度T0時(shí)拉伸塑性變形達(dá)到最大Ep，這時(shí)桿件內(nèi)部總應(yīng)力為δs，總應(yīng)變?yōu)镋s+Ep。因此桿件內(nèi)部最終的殘余應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，最高可達(dá)δs[1]。雖然這種均勻加熱引起的應(yīng)力和應(yīng)變與焊接過程有很大的差別，但這是分析焊接應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)，它的產(chǎn)生機(jī)理是相同的。像圖二中的摩托車車架，其大部分桿件在組焊過程中的受熱變化情形同上述c)是同樣的變化過程。二．焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因和分布規(guī)律理論和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因有兩方面：一是焊接本身的特性確定了焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的必然性；二是焊接構(gòu)件的接頭形式及焊接工藝措施設(shè)計(jì)不合理造成，具體原因有：1）焊縫的尺寸和接頭形式設(shè)計(jì)不合理焊縫尺寸的大小直接影響到焊接應(yīng)力的大小，受熱區(qū)越大，最后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也越大；焊接零件之間的搭接方式、焊接坡口的型式、接頭間隙、焊縫余高等如果設(shè)計(jì)不合理將影響到焊接殘余應(yīng)力的大小。2）焊縫的數(shù)量和位置設(shè)計(jì)不合理焊縫數(shù)量及焊縫位置分布不合理，焊縫如果疏密相差很大，甚至相互交叉，封閉焊縫較多，就會產(chǎn)生較大的撓曲變形和焊接殘余應(yīng)力。3）焊接方法和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理不同的焊接方法具有不同的線能量和不同的溫度場，產(chǎn)生的熱變形和殘余應(yīng)力也不同。根據(jù)構(gòu)件的材質(zhì)、厚度、結(jié)構(gòu)選擇合理的焊接方法和工藝參數(shù)，減少受熱區(qū)和殘余應(yīng)力，同時(shí)盡量減少裂紋、氣孔、夾渣、凹坑等焊接缺陷的生成，避免應(yīng)力集中的形成。4）焊接順序和施焊方法設(shè)計(jì)不合理對于存在較多焊縫的車架，焊接順序不同，最后形成的應(yīng)力大小也不相等。不同的焊接順序造成焊接拘束度不同，拘束度越大，焊接應(yīng)力越大。焊接構(gòu)件上的焊接殘余應(yīng)力可以通過理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)際測量、計(jì)算機(jī)有限元分析等手段來加以確定。經(jīng)過焊接工作者的長期探索和研究，人們對特定條件下的焊接總結(jié)出來了一些規(guī)律，為我們解決焊接問題提供了依據(jù)和基石。圖三是低碳鋼薄鋼板在自由狀態(tài)下對焊后殘余應(yīng)力分布示意圖。與焊縫相同方向即X向?yàn)榭v向，縱向焊接殘余應(yīng)力分布是焊縫及其附近熱影響區(qū)為拉應(yīng)力，一般都達(dá)到δs，熱影響區(qū)外的兩側(cè)都是壓應(yīng)力，垂直于X向的每個(gè)橫斷面上應(yīng)力分布基本相同，兩端部的數(shù)值會小一點(diǎn)兒；Y方向就是橫向，橫向殘余應(yīng)力分布是中間受拉，兩端受壓。同樣的焊縫分別用手工焊和自動(dòng)焊應(yīng)力的大小也不相同；如果焊接方向不同，殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)也會不同，從中間往兩邊焊橫向殘余應(yīng)力是中間受壓、兩端受拉，而從兩端往中間焊應(yīng)力分布正好相反[2]。對于常見的T型梁、H型梁、箱型梁焊接以及拘束條件下焊接的殘余應(yīng)力分布人們也都找到了規(guī)律可循。在試驗(yàn)或生產(chǎn)中可以用應(yīng)力釋放法測量焊接殘余應(yīng)力的大小和分布，鉆孔法是目前較為成熟和可靠的方法。其操作原理是在待測應(yīng)力點(diǎn)周圍相隔45°粘貼三個(gè)應(yīng)變片，然后對準(zhǔn)測試點(diǎn)鉆孔，由于鉆孔后該點(diǎn)應(yīng)力釋放引起線應(yīng)變，用電阻應(yīng)變儀測出三個(gè)應(yīng)變片的變化值，最后換算出該點(diǎn)原有的殘余應(yīng)力值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在我們可以利用圖三ANSYS、Pro/MECHANICAL、COSMOSworks等三維工具來模擬、測試、分析焊接構(gòu)件上的焊接應(yīng)力問題。圖四是經(jīng)過等效、約束及加載等處理后的某型號摩托車車架力學(xué)模型，通過一系列的靜力學(xué)分析后，得到如圖五所示的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖[3]，從圖中可以看出車架橫管上的四條焊縫有焊接殘余應(yīng)力，尖角處應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，在外力作用下容易開裂導(dǎo)致疲勞破壞。三．焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件的影響1、對靜載強(qiáng)度的影響低溫下當(dāng)材料處于脆性狀態(tài)時(shí)，焊接殘余圖四車架力學(xué)模型圖拉應(yīng)力和外載作用力相互疊加、共同作用會使構(gòu)件局部區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度并發(fā)生脆性斷裂。圖六是發(fā)生脆性斷裂的車架。2、對疲勞強(qiáng)度的影響試驗(yàn)和研究表明構(gòu)件存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，在交變載荷作用下會很快達(dá)到疲勞極限發(fā)生破壞，說明焊接殘余拉應(yīng)力會降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度；但殘余壓應(yīng)力有利于提高疲勞強(qiáng)度。圖七是使用中的車架的焊縫及熱影響區(qū)正在產(chǎn)生疲勞裂紋的照片。3、對剛度的影響圖五車架的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖當(dāng)外載產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，構(gòu)件局部區(qū)域會發(fā)生塑性變形，喪失了進(jìn)一步承受外載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度降低。4、對焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響焊件上的內(nèi)應(yīng)力在機(jī)械加工時(shí)因一部分金屬從焊件上被切除下來而破壞了原有的平衡，于是內(nèi)應(yīng)力重新分布以達(dá)到新的平衡，同時(shí)產(chǎn)生了變形，使加工精度受到影響。5、對應(yīng)力腐蝕的影響構(gòu)件在受到內(nèi)外拉應(yīng)力時(shí)如果遇到腐蝕介質(zhì)的環(huán)境，構(gòu)件會很快腐蝕開裂，拉應(yīng)力越大，圖六車架發(fā)生脆性斷裂腐蝕開裂的時(shí)間越短。圖八中車架底部C形連接管上有四條環(huán)焊縫，焊后內(nèi)部拉應(yīng)力很大，加上長期受到雨水腐蝕而產(chǎn)生腐蝕破壞。四、焊接殘余應(yīng)力的控制與消除（一）焊接殘余應(yīng)力的控制措施焊接內(nèi)應(yīng)力可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝措施等進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,如降低殘余應(yīng)力的峰值,避免在大面積內(nèi)產(chǎn)生較大的拉內(nèi)應(yīng)力等。1、盡量減少焊縫數(shù)量、設(shè)計(jì)合理的焊縫尺寸和形式在保證車架等構(gòu)件承載能力的情況下，應(yīng)盡量減少焊縫的數(shù)量、減小焊縫的尺寸，也就減少圖七車架焊縫區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋了焊接應(yīng)力源。對于一般結(jié)構(gòu)的焊縫尺寸可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T985-1988《氣焊、手工電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》、GB/T986-1988《埋弧焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》來確定，對于比較重要的焊縫需要進(jìn)行焊接接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)構(gòu)件材料、焊接方法、搭接方式、材料厚度、受載情況等對焊縫進(jìn)行強(qiáng)度校核，然后確定焊縫的尺寸大小。2、布置合理的焊縫位置在焊接構(gòu)件中，焊縫不宜過分集中，焊縫間要保留足夠的距離，盡量避免焊縫相互交叉。焊縫集中不僅使應(yīng)力分布更不均勻，而且會出圖八車架應(yīng)力腐蝕破壞現(xiàn)更加復(fù)雜的雙向或三向應(yīng)力狀態(tài)。焊接部位要圓滑過度、避免尖角和尺寸突變，設(shè)計(jì)焊縫時(shí)盡量避免一些設(shè)計(jì)禁忌，如焊縫設(shè)在結(jié)構(gòu)拐角處的應(yīng)力集中區(qū)，在彎曲部位焊接，焊縫垂直交叉等。要盡量使焊縫不受力、將工作焊縫變?yōu)檫B接焊縫、將焊縫區(qū)域受力變?yōu)闃?gòu)件整體受力等。3、采用剛性較小以及避免應(yīng)力集中的接頭形式對于剛性大的焊接接頭，焊后殘余應(yīng)力較大很容易產(chǎn)生裂紋。設(shè)計(jì)焊接接頭時(shí)要盡量采用焊接手冊上推薦的形式，最大限度的減小接頭的拘束度，讓零件有受熱變形的空間，否則應(yīng)力將更大。在實(shí)際生產(chǎn)中用空心管材代替實(shí)心棒料、法蘭翻邊式焊接取代插入式焊接、圓盤類零件焊接前邊緣適當(dāng)翻邊等措施均可有效降低接頭剛性、減小應(yīng)力。4、采用合理的焊接順序焊接應(yīng)力是焊縫區(qū)金屬收縮不自由引起的，所以在確定焊接順序時(shí)要遵循減少拘束、盡量使每條焊縫能自由收縮的原則，這樣才能最大限度的降低焊接殘余應(yīng)力。構(gòu)件上有多種形式的焊縫時(shí)先焊收縮量大的焊縫如對接焊縫，再焊收縮量小的如角焊縫；長焊縫從中間往兩端焊可以降低拘束度。5、加熱減應(yīng)區(qū)焊接時(shí)加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使其與焊接區(qū)同時(shí)熱脹冷縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用。在框架式結(jié)構(gòu)、輪盤式結(jié)構(gòu)、鑄鐵件的焊接修補(bǔ)中應(yīng)用最為廣泛，效果也最為突出。6、錘擊焊縫大型結(jié)構(gòu)件在焊接過程中利用圓頭小錘錘擊焊縫，使焊縫金屬延展抵消一部分收縮，以降低內(nèi)應(yīng)力，溫度控制在500℃-800℃之間為宜，錘擊力度和次數(shù)要適當(dāng)。多層焊時(shí)，打底層和覆蓋層焊縫不要敲擊，避免產(chǎn)生破壞和表面缺陷。（二）消除焊接殘余應(yīng)力的措施1、熱處理法在實(shí)際生產(chǎn)中，對于需要焊后加工的零件或需要完全消除焊接殘余應(yīng)力的重要構(gòu)件一般都要采取調(diào)質(zhì)處理加高溫回火的方法進(jìn)行去應(yīng)力退火，以達(dá)到去除應(yīng)力和防止變形的目的。2、振動(dòng)法對于要求不高的一般焊接構(gòu)件可以通過敲擊、振動(dòng)等手段來釋放應(yīng)力，使殘余應(yīng)力降低并均勻化。該方法簡單、操作方便、費(fèi)用低，但不能完全消除應(yīng)力。3、拋丸處理法焊后將焊接件進(jìn)行拋丸處理，能夠有效降低內(nèi)應(yīng)力，并使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。另外還有機(jī)械拉伸法、溫差拉伸法等方法，通過對焊接構(gòu)件整體或局部加載使焊接壓縮塑性變形區(qū)得到拉伸，從而減少由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，達(dá)到內(nèi)應(yīng)力減小的目的。近幾年還出現(xiàn)了超聲沖擊處理法，在消除焊接應(yīng)力的同時(shí)還能改善焊趾幾何形狀、熔渣缺陷、表面強(qiáng)化等，因而能大幅度提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，因此在軍品焊接結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)和產(chǎn)品的修復(fù)中得到越來越廣泛地應(yīng)用。綜上所述，焊接殘余應(yīng)力在焊接構(gòu)件中普遍存在，并且對構(gòu)件的危害較大，只有從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造、焊后處理等階段進(jìn)行控制和消除，才能