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    焊接殘余應力的產生、影響及防控措施

    作者:西安鈞同機電  來源:西安鈞同機電   更新時間:2021-05-22  閱讀數:4101

    摘要:對鋼結構而言,殘余應力的存在,是影響結構脆斷、疲勞破損和結構穩定性降低的重要因素。本文試圖對殘余應力的產生、對結構的影響和如何有效降低殘余應力及影響作簡單分析。
    關鍵詞:殘余應力 脆斷 疲勞破損 剛度 穩定性

     

     

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    1引言

    鋼結構自問世以來,由于其具備的強度高、自重輕、抗震性能好、、施工速度快、地基基礎費用省、結構占用面積少、工業化程度高等一系列優點,鋼結構在建筑領域被廣泛應用。但是,也不能否認,鋼結構還存在著許多缺陷和隱患,例如穩定性從一開始就一直是鋼結構中無法回避的問題,還有隨著鋼結構建筑的深入發展,脆斷和疲勞破損等問題也越來越突出。而上述的諸多問題,無一不與構件內部的殘余應力存在密切聯系,本文試圖從實際出發,探討殘余應力的產生過程、對結構或構件的影響以及如何有效降低殘余應力及影響。

    2殘余應力的成因

    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,產生的原因很多,其中,焊接殘余應力是很重要的一種,另外在鋼材的加工過程中也會產生參與應力。

    2.1焊接殘余應力

    焊接過程是一個對焊件局部加熱繼而逐漸冷卻的過程,不均勻的溫度場將使焊件各部分產生不均勻的變形,從而產生各種焊接殘余應力。焊接構件由焊接而產生的內應力稱之為焊接應力,按作用時間可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。焊接過程中某一瞬時的焊接應力稱之為焊接瞬時應力,它隨著時間而變化。焊后殘留在焊件內的焊接應力稱之為焊接殘余應力。對于鋼結構而言,焊接殘余應力和變形是影響結構斷裂強度、疲勞強度和結構穩定性的重要因素。焊接殘余應力大大降低了焊接部位材料的有效比例極限,是結構發生脆斷的重要原因之一。焊接結構中殘余拉應力還會降低結構抗疲勞和耐腐蝕的能力;殘余壓應力會降低受壓構件的剛度,從而使穩定承載力。焊接殘余應力是焊件產生變形和開裂等工藝缺陷的重要原因,由于其影響因素眾多,計算殘余應力又極為復雜,因此給殘余應力的研究帶來了許多困難,對焊接結構的殘余應力研究就顯得尤為重要。[1]

    2.1.1沿焊縫軸線方向的縱向焊接殘余應力

    施焊時,焊縫附近溫度最高,在焊縫區以外,溫度則急劇下降。焊縫區受熱而縱向膨脹,但這種膨脹因變形的平截面規律(變形前的平截面,變形后仍保持平面)而受到其相鄰較低溫度區的約束,使焊縫區產生縱向壓應力。由于鋼材在高溫時呈塑性狀態(稱為熱塑狀態),因而高溫區這種壓應力使焊縫區的鋼材產生塑性壓縮變形,這種塑性變形當溫度下降、壓應力消失時是不能恢復的。在焊后的冷卻過程中,如假設焊縫區金屬能自由變形,冷卻后鋼材因已有塑性變形而不能恢復其原來長度。事實上由于焊縫區與其鄰近鋼材是連續的,焊縫區因冷卻產生的收縮變形又因平截面變形的平截面規律受到鄰近低溫區的鋼材的約束,使焊縫區產生拉應力。這個拉應力當焊件完全冷卻后仍殘留在焊縫區的鋼材內,故名焊接殘余應力,對于低合金鋼材焊接后的殘余應力??蛇_到其屈服點。又因截面上殘余應力必須自相平衡,焊縫區以外的鋼材截面內必然有殘余壓應力。

    2.1.2垂直于焊縫軸線的橫向焊接殘余應力

    兩鋼板以對接焊縫連接時,除產生上述焊接殘余應力外,還會產生橫向殘余應力。橫向殘余應力的產生由兩部分組成:其一是由焊縫區的縱向收縮引起的,其二是焊縫的橫向收縮引起的,最后的橫向焊接殘余應力應當為兩者疊加。焊縫中由焊縫橫向收縮產生的橫向殘余應力將隨施焊的程序而異。

    2.1.3厚板中沿厚板方向的焊接殘余應力

    由于厚板常需多層施焊(即焊縫不是一次形成),在厚度方向上將產生焊接殘余應力,同時板面與板中間溫度分布不均勻,也會引起殘余應力,其分布規律與焊接工藝密切相關。此外,在厚板中的前述縱向和橫向焊接殘余應力沿板的厚度方向大小也是變化的。

    2.1.4約束狀態下施焊時的焊接殘余應力

    前述各種焊接殘余應力都是焊件能自由變形下施焊時產生的。當焊件在變形收到約束狀態時施焊,其焊接殘余應力分布就截然不同。如在兩塊相互垂直板的一側夾角焊上角焊縫,則側縫的收縮促使夾角減小。如果這種減小收到約束而不能實現,則焊縫的縱向內將出現反作用殘余拉應力,這種應力有可能使焊縫出項裂紋。

    2.2殘余應力產生的其他途徑

    除構件焊接能產生殘余應力外,熱軋后的不均勻冷卻、各種冷加工(冷彎、矯正)、火焰切割等也會造成殘余應力。它們對殘余應力的產生也不可忽視。

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    3殘余應力對結構或構件的影響

    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定性而且在溫度和介質的共同作用下,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。

    3.1對結構剛度的影響

    當外載產生的應力δ與結構中某區域的殘余應力疊加之和達到屈服點fy時,這一區:域的材料就會產生局部塑性變形,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),或經過火焰校正,都可能在較大的截面上產生殘余拉伸應力,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定性要求較高的結構是不容忽視的。

    3.2對桿件穩定性的影響

    當外載引起的壓應力與殘余應力中的壓應力疊加之和達到fy這部分截而就喪失進一步承受外載的能力,繼續承載的桿件的有效截而積減少,桿件剛度降低,穩定承載力降低。殘余應力對受壓桿件穩定承載力的影響大小,與殘余應力的分布位置有關。[2]

    殘余應力是一個不穩定的應力狀態,當構件受到外力、溫度等其它因素作用時,由于這些作用應力與殘余應力的相互作用,使構件某些局部呈現塑性變形,截而內殘余應力重新分布,當外在因素去除時整個構件都要發牛變形。構件在使用過程中,殘余應力將發生松弛,所以殘余應力影響著構件穩定性。這也是工程部門最關心的問題之一。

    殘余應力對構件變形的影響包括兩個方面:一方而是構件抗靜、動載荷的變形能力;另一方而是載荷卸載后變形恢復的能力。殘余應力在這兩個方而對構件的影響是很大的,因此人們一直在研究消除這此影響的有效方法。

    3.3對靜載強度的影響

    如果材料是脆性材料,由于材料不能進行塑性變形,隨著外力的增加,構件中不可能應力均勻化。應力峰值將不斷增加,直至達到材料的屈服極限,發生局部破壞,最后導致整個構件斷裂。脆性材料殘余應力的存在,會使承載能力下降,導致斷裂。對于塑性材料,在低溫環境下存在三向拉伸殘余應力的作用,會阻礙塑性變形的產生,從而也會大大降低構件的承載能力。

    對于焊接構件,只要構件和焊道本身具有較好的塑性變形能力(沒有低溫、動荷載等使鋼材變脆的不利因素),殘余應力不會降低構件的靜力強度。因為有殘余應力的構件承受逐漸增大的軸心拉力時,外荷載引起的拉應力將疊加截面的殘余應力。在加載過程中,應力不斷增加,當疊加總應力達到材料的屈服極限fy,構件中存在殘余拉應力的截而提前進入塑性區,后增長的外荷載僅由截而的彈性區承擔,隨荷載的增大,彈性區減少,塑性區增大,內部應力不斷疊加,應力發生重新分布,直至整個截面上的應力達到材料的屈服極限時為止。由于截面殘余應力為自相平衡應力分布,故靜力荷載相等,即殘余應力不會降低構件的靜力強度。但是塑性材料在一定條件下會失去塑性,變成脆性或者構件材料塑性較低,殘余應力將會影響構件的靜力強度。因為構件無足夠的塑性變形產生,在加載過程中,應力峰值不斷增加,直至達到材料強度極限后發生破壞。因而殘余應力對其有影響。

    3.4對疲勞強度的影響

    鋼材在循環應力多次反復作下裂縫生成、擴展以致斷裂破壞的現象稱為鋼材的疲勞。殘余應力的存在使變荷載產生的應力與殘余應力疊加后,應力幅值產生變化,將對結構抗疲勞強度產生影響。因此,如應力集中處存的著殘余拉應力較大,疲勞強度就降低。應力集中系數越高,殘余應力的影響也就越顯著,因此,提高疲勞強度,不僅應從調節和消除殘余應力著手,而且應從上藝和設計上來降低結構的應力集中系數,從而降低殘余應力對疲勞強度的不利影響。

    3.5對構件脆性的影響

    脆性破壞是指構件在幾乎不存在塑性變形情況下突然開裂,并快速在整個截面內傳播直至破壞。它在低溫或者變形速率增加情況下最容易發生。

    焊接結構中殘余應力的存在(殘余應力較高時可達fy) 時,在外荷載的作用下,有效比例極限降低,部分截而提前進入屈服。這部分截而在塑性變形后,材料的塑性變形能力降低,呈脆性。因此,殘余應力的存在,使部分截面出現脆性性能,加劇了構件脆性破壞的可能性。

    裂紋擴大時結構脆斷的重要原因。焊縫冷卻時的收縮收縮作用受到約束,有可能出現裂紋,在板厚較大的焊接結構中尤其明顯。例如在兩塊厚板T形連接時,當兩塊板間未留縫隙而不能相對移動時,焊縫因收縮受到約束因產生拉應力有可能促使開裂,如果在兩塊板之間墊上軟鋼絲留出縫隙,焊縫收縮有余地,裂紋就不會出現。[3]

    4殘余應力的控制措施

    完全消除殘余應力是不現實的,但可以通過一系列措施來降低殘余應力峰值??刂茪堄鄳Φ哪繕耸窍龤堄鄳泻童B加現象,降低應力的峰值并使其均勻分布,從而提高結構的整體承載力、增強結構的安全性。其措施有以下幾種:

    4.1早期應力循環

    焊接殘余應力經常能達到材料的屈服點fy,此時在承受拉應力δ卸載后,其殘余應力的峰值由下降為(fy-δ)。如果所加拉應力高達fy,則殘余應力完全消失。因此如果構件在早期經受少量的拉應力,則能有效降低殘余應力峰值。但是在工程設計中,要想利用這種消除或減小殘余應力的好處并不容易。在交付前有意識地通過高應力幅循環荷載消除殘余應力,目前只在某些機械行業有所應用,辦法是用激振器在工作中產生循環應力是殘余應力峰值下降。

    長期實踐證明,在科學地選擇有效振型,對構件關鍵部位施加適當應力后,振動時效能有效降低和均化殘余應力值,能極好地穩定焊接件特別是異種鋼焊接后的尺寸穩定性,在對環狀鋼結構中,穩定構件形位尺寸更是效果明顯。另外,振動時效法具有周期短、效率高、無污染的特點,且不受上件尺寸、形狀、重量等限制,已經過大量的上程實踐證明,對消除構件焊接殘余應力是有明顯效果的。

    4.2采取合理的焊接順序

    對大型結構,應從中間向四周進行施焊,使焊縫可以由中間向外依次進行收縮。

    對于平面上的交叉焊縫,應特別注意交叉處的焊接質量。如果接近縱向焊縫的橫向焊縫處有缺陷(如未焊透),則這此缺陷正好位于縱焊縫的拉伸應力場中,會造成三向應力狀態。所以要采取保證交叉點部位不易產生缺陷而又能自由收縮的順序,先焊錯開的短焊縫,后焊直通的長焊縫。

    應先焊收縮量最大的焊縫。如果在結構上既有對接焊縫又有角焊縫,就應先焊對接縫,后焊角焊縫。

    應先焊在上作時受力較大的焊縫,使內應力合理分布。在接頭兩端留出一段翼緣角不焊,先焊受力最大的翼緣對接焊縫,然后再焊腹板對接縫,最后焊翼緣預留角焊縫,這樣焊后可使翼緣的對接焊縫承受壓應力,而腹板對接縫受拉,角焊縫留在最后焊可以保證腹板對接縫有一定的收縮余地,同時也有利于在焊接對接縫時采取反變形措施以防止產生角變形?;窘ㄔO焊接構件一般都比較大,因此十分講究焊接順序和施工程序。

    4.3間斷焊接法

    為降低對焊件的加熱程度,減小加熱范圍,可根據結構具體情況,以間斷的方式進行焊接。例如,在對鑄鐵進行電弧冷焊時,每次只焊一段很短的焊縫,讓其冷卻到不燙手時再焊下一段,直至全部焊完工作縫。這樣焊接區附近的金屬始終處在“冷態”中,可減小焊接應力。

    4.4減小焊縫尺寸

    焊接內應力由局部加熱循環而引起,為此在滿足設計要求的條件下,在深化設計過程中,不應加大焊縫尺寸和余高,要對其焊縫尺寸給予優化,焊縫坡口要合理,盡量采用雙面坡口,要轉變焊縫越大越安全的觀念。

    4.5減小焊接拘束度

    拘束度越大,焊接應力越大,首先應盡量使焊縫在較小拘束度下焊接。如長構件需要拼接板條時,要盡量在自由狀態下施焊,不要待到組裝時再焊,應按工藝先將其拼接工作完成,再進行組裝構件。若組裝后再焊,則因其無法自由收縮,拘束度過大而產生很大的應力。

    4.6采用補償加熱法

    在構件焊接過程中為了減少焊接熱輸入流失過快,避兔焊縫在結晶過程中產生裂紋,因此當板厚達到一定厚度時,焊前應對焊縫周邊一定范圍內進行加熱,加熱溫度視板厚及母材碳當量而定,此即為焊前預熱。當構件上某一條焊縫經預熱施焊時,構件焊縫區域溫度非常高,伴隨著焊縫施焊的進展,該區域內必定產生熱脹冷縮的現象,而該區域僅占構件截面中很小一部分,此外,部分母材均處于冷卻(常溫)狀態,由此而對焊接區域產生巨大的剛性拘束,造成很大的應力,甚至產生裂紋。若此時在焊縫區域的對稱部位進行加熱,溫度略高于預熱溫度,且加熱溫度始終伴隨著焊接全程,則上述應力狀況將會大為減小,構件變形亦會大大改觀。

    4.7對構件進行分解施工

    對于大型結構宜采取分部組裝焊接,結構各部分分別施工、焊接,校正合格后總裝焊接。

    5小結

    在眾多的能引起殘余應力的途徑中,焊接時非常重要的一種。焊接是一種運用(多數情況下為局部)加熱或加壓手段、添加或不添加填充材料將構件不可拆卸地連接在一起或在基材表面堆敖覆蓋層的加工工藝。由于高度集中的瞬時熱輸入,在焊接后將產生相當大的殘余應力(焊接殘余應力)。與載荷應力相比,焊接殘余應力是發生在沒有外力情況下的內力。實際上,在各種機械和機器的加工制造過程中,構件內部部將產生殘余應力。所產生的殘余應力的狀態,特別是其應力值的大小、應力的分布是隨各種加工方法不同而有差異的。

    焊接殘余應力和焊接變形會嚴重影響制造過程本身和焊接結構的使用性能,因此.應采取各種有效的措施將焊接殘余應力和焊接變形成至最小。

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