學術干貨 | 焊接殘余應力的控制和消除

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的定義，焊接是指通過采用物理或化學的方法，使分離的材料產生原子或分子結合，形成具有一定性能要求的整體的一種加工工藝。^[1]

殘余應力是在無外力作用時，以平衡狀態存在于物體內部的應力。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出現不同程度的殘余應力。^[2]殘余應力產生的根本原因是物體內部產生了不均勻的彈塑性形變。^[3]

將上述兩個關鍵詞疊加，就是本文的關注對象焊接殘余應力。由于焊接時局部不均勻熱輸入，導致構件內部溫度場、應力場以及顯微組織狀態發生快速變化，容易產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力作用的影響較為突出。

焊接殘余應力是焊件產生變形、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力也會導致工件產生不允許的變形。同時，焊接殘余力可能引起結構的脆性斷裂，拉伸殘余應力會降低疲勞強度和腐蝕抗力，壓縮殘余應力會減小穩定性極限。^[2]因此，焊接殘余應力一直是焊接界關注的重點問題之一。

圖1 焊接殘余應力的危害

一、焊接殘余應力形成機制

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

圖2 焊接殘余應力產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力和變形理論的基礎。蘇聯的H.O.奧凱爾布朗姆^[4]和C.A庫茲米諾夫^[5]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的金屬熱膨脹應變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產生壓縮塑性應變。焊接冷卻過程中該壓縮塑性應變被拉伸抵消一部分，但焊后仍殘留部分壓縮塑性應變，稱為殘余壓縮塑性應變。

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疑，認為該理論忽略了一個基本事實，即大多數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生拉伸塑性應變，并從此角度出發解釋消除焊接殘余應力的原理，認為消除應力的過程實質就是將拉伸彈性應變轉變成拉伸塑性應變的過程。^[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，首先認同了傳統殘余塑變理論，即假定焊縫本身經受加熱和冷卻過程，完全冷卻后焊縫處存在殘余壓縮塑性應變。對于焊縫是填充金屬直接從高溫冷卻下來的假設情況，則由于熱收縮應變被冷卻過程中的拉伸塑性應變抵消一部分，完全冷卻后焊縫處存在殘余熱收縮應變。通過分析，殘余壓縮塑性應變和殘余熱收縮應變兩者是等價的。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力與變形產生的結果完全類似的現象。引入“固有應變”概念，認為焊接殘余應力是在固有應變源作用下構件自動平衡的結果。^[7]

圖3 長板條焊接時應力應變
圖中B₀KKB₀部分表示最終完全冷卻后板條中存在的殘余壓縮塑性變形

2003年，又有學者對前述觀點產生質疑，認為雖然殘余壓縮應變和殘余收縮應變在導致焊接殘余應力產生的作用方面是等價的，但其本質卻有不同，區別二者對焊接殘余應力形成過程的貢獻是有意義的，對于研究和開發新的焊接殘余應力調控技術有指導作用。在不考慮相變的情況下，除了傳統機理所描述的母材中的壓縮塑性變形引起焊接殘余應力之外，焊縫金屬冷卻時的收縮受到制約也是導致焊接殘余應力產生的重要原因。該學者認為在不考慮相變應變時，焊縫處的固有應變應為塑性拉伸應變。^[8]

圖4 低碳鋼焊接時縱向應力應變分布
圖中下部剖面線區域為塑性拉伸區。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。

總結起來，對于焊縫處的殘余應力，有壓縮塑性應變和拉伸塑性應變之爭，對于焊接殘余應力的認識在認同或質疑中不斷加深。若僅就其內拘束度的效果而言，焊接殘余應力產生機理可表述如下：焊接熱輸入引起材料不均勻局部受熱，使焊縫區熔化；而與熔池毗鄰的高溫區材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，產生不均勻的壓縮塑性形變；在冷卻過程中，已發生塑性變形的這部分材料（如長焊縫的兩側）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生相應的拉應力。^[3]

二、焊接殘余應力控制和消除

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

2.1焊接殘余應力控制

控制焊接殘余應力，即在焊接結構制造過程中采取一些適當的措施以減小焊接殘余應力。一般來說，可以從設計和工藝兩方面著手，設計焊接結構時，在不影響結構使用性能的前提下，應盡量考慮采用減小和改善焊接應力的設計方案；另外，在制造過程中還要采取一些工藝措施，以使焊接應力減小到最低程度。焊接殘余應力控制方法總結如圖5所示。^[3]

圖5 焊接殘余應力控制方法

例：焊接結構和順序對焊接殘余應力影響^[9]

有學者采用有限元分析焊接結構和焊接順序對殘余應力的影響。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構進行焊接殘余應力數值模擬計算分析。經過對四種不同結構和焊接順序的計算，對比分析結果表明：結構拘束和焊接順序對焊接殘余應力有重要影響，局部加強貼板增加結構拘束度，導致焊接殘余應力增大；先焊主結構，再焊局部加強貼板，焊接殘余應力最大。因此，合適地設計焊接結構和焊接順序有利于降低結構的焊接殘余應力，提高焊接結構的可靠性。

圖6 焊接殘余應力與徑向位置的關系曲線
A結構有加強環，B結構無加強環；1和2結構焊接順序不同。

2.2焊接殘余應力消除

殘余應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產生塑性變形來達到降低殘余應力的目的。理論上講，只要外力使性質均勻的構件整體同時達到屈服，全部消除殘余應力是可能的。但實際上由于種種困難，用這種方法想把應力完全消除是難以實現的。用熱作用消除殘余應力與蠕變和應力松弛現象有密切關系。用熱作用去除殘余應力時，只要退火溫度和保溫時間適宜，應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，并且因熱作用而產生的組織變化也是不可避免的。焊接殘余應力消除方法總結如圖7所示。^[3]

圖7 焊接殘余應力消除方法

例：焊后熱處理對焊接殘余應力的影響^[10]

有學者研究了焊后熱處理對20MnNiMo焊接接頭殘余應力的影響。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力場分布的影響。結果表明，焊后去應力退火可以很好的減小20MnNiMo厚板焊接殘余應力，去應力效果顯著，可以很好地改善20MnNiMo焊接殘余應力的分布。

圖8 焊態和退火后殘余應力分布圖

傳統方法里，焊接工藝中方案設計、工藝制定等更多依賴于設計施工人員的經驗和技術，最佳工藝方案和焊接參數的篩選等工作需要在車間或實驗室里進行大量的試驗工作，對人力、物力和時間都是浪費。隨著焊接領域研究的不斷深入發展，學者們一直不斷將各種基礎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象不僅可以從本質上進行理論解釋，還可以進行定量分析、模擬和理論預測，這就為焊接過程模擬技術提供了基礎。目前，焊接過程模擬技術已成為焊接領域的研究熱點。通過計算機模擬技術，可以模擬焊接過程溫度場、殘余應力的動態變化，為殘余應力控制和消除提供了理論指導。

參考文獻

[1] 李曉延等.中國焊接制造領域學科發展研究[J].機械工程學報,2012,48(6):19-31.

[2] 蔣剛等.殘余應力測量方法的研究現狀[J].機床與液壓,2007,35(6):213-216.

[3] 宋天民.焊接殘余應力的產生與消除[M]北京:中國化石出版社,2005.

[4] 奧凱爾勃洛姆H.O.焊接應力與變形[M].雷原譯.北京:中國工業出版社,1958.

[5] 庫茲米偌夫C.A.船體結構的焊接變形[M].北京:國防工業出版社,1978.

[6] 王者昌.關于焊接殘余應力消除原理的探討[J].焊接學報,2000,21(2):55～58.

[7] 汪建華等.焊接殘余應力形成機制與消除原理若干問題的討論[J].焊接學報,2002,23(3):75-79.

[8] 游敏等.關于焊接殘余應力形成機制的探討[J].焊接學報,2003,24(2):51-54.

[9] 廖孟安等.焊接結構和順序對焊接殘余應力影響研究[J].熱加工工藝,2012,41(1):137-139.

[10] 遲露鑫等.焊后熱處理對特厚板20MnNiMo焊接殘余應力的影響[J].材料熱處理學報,2012,33(4):96-99.

本文由材料人編輯部金屬材料組詹英杰供稿，材料牛編輯整理。

學術干貨致力于成為廣大材料人讀者高效獲取知識的途徑，為了更貼合大眾知識需求，現向大家征集干貨寫作方向。如果你想了解哪個領域的知識，某個軟件的應用或者任何有趣的想法和思維方向，請在微信下方留言板留言，我們會收集并推出大家需求的學術干貨，有建設性的意見或者想法一經采納，我們將提供神秘獎勵。快快留言吧！

材料人網向各大團隊誠心約稿，課題組最新成果、方向總結、團隊訪談、實驗技能等皆可投稿，請聯系：郵箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。