无变形焊接应力的消除技术

无变形焊接应力的消除技术

0在焊接残余应力和变形方面的应用焊接强度和变形一直是焊接行业的研究重点之一。尼古拉也夫ГА院士、关桥院士、田锡唐教授等在此领域作了卓有成效的工作。机械拉伸法、温差拉伸法和焊缝滚压法等也是消除焊接残余应力和变形的有效方法。上述方法消除应力的原理虽有报道,但有互相矛盾之处,载入《机械工程手册》、《焊接手册》中的一些权威性提法尚有商榷之处。因此搞清楚焊接残余应力消除原理是必要的。1提出问题1.1拉伸变形塑性变形文献指出:“对焊接结构进行加载,使焊接压缩塑性变形区得到拉伸,可减少由焊接引起的局部压缩塑性变形量,使内应力降低。”文献指出:“通过一次加载拉伸,拉应力区在外载的作用下产生了拉伸塑性变形,它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反。因为焊接残余应力正是由于局部压缩塑性变形引起的,加载应力越高,压缩塑性变形就抵消的越多,内应力也就消除的越彻底。”1.2高差伸展法以消除高差文献指出:“两侧的金属受热膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸,使之产生的拉伸塑性变形以抵消原来的压缩塑性变形,从而消除内应力。”1.3相组成的延伸塑性变形文献指出:用适当的压力滚压焊缝或近缝区,“造成与焊接压缩塑性变形完全相等而方向相反的延伸塑性变形(见图1),这样在薄板构件上就可以达到既消除应力又消除变形的目的。”文献指出:“在窄轮压力的作用下,焊缝区产生相应延伸塑性变形,用以补偿焊后残余的压缩塑性变形(即不协调应变量)。”1.4拉伸塑性变形补偿关于动态低应力无变形焊接法消除应力的原理,文献指出:“刚凝固的焊缝区中,已受到压缩但仍处于高温的金属,由于强迫冷却射流热沉作用,在温度低谷中受到极大的温差拉伸的作用,随即得到拉伸塑性变形的补偿。”文献指出:“焊缝受冷急剧收缩,产生很强的拉伸作用,使仍处于高温状态焊缝区的压缩塑性变形量得到补偿。”上述文献都认为焊接时焊缝产生压缩塑性变形,消除应力的原理在于设法使焊缝产生拉伸塑性变形以抵消、补偿已产生的压缩塑性变形。焊缝是否存在压缩塑性变形?文献提出另一种观点,认为“对于焊缝金属来说,并不存在加热阶段。在冷却过程中除相变外,都受到拉伸。”也就是说不存在压缩,更不会出现压缩塑性变形。看来,焊接时焊缝是否存在压缩塑性变形以及随之而来的消除应力原理问题尚待研究。2应力应变的发展过程尼古拉也夫ГА院士分析了焊接应力应变发展过程,原理图见图2。在600℃最宽截面即I-I截面,钢板中心区为压应力和压应变区,而板的两侧为拉应力和拉应变区。在大约200℃以上的区域产生压缩塑性变形,在600℃以上的区域,压缩塑性变形为常量,其值为α·600℃,式中α为线膨胀系数。尼古拉也夫ГΑ在文献中将α·600℃改为α·T,式中T为温度,应力应变图则改为图3。文献引用了后一观点。在图2和图3中,作者忽略了一个最基本的事实,即板中心区(焊缝及近缝区)处于冷却过程,而不是加热过程,在这两个过程中,应力应变发展过程是不同的。下面分析一下薄板焊接应力应变发展过程。温度场分布如图4a所示。虚线将焊接板材分为升温区和降温区两部分,以焊接方向为准,虚线前为升温区,虚线后为降温区,可以看出,焊缝处在降温区。现取三个典型截面,分析应力应变发展过程。截面I取自熔池前沿。此截面全部在升温区,中心区升温很高,两边升温很低,中心区膨胀受阻产生压缩塑性应变,应力应变分布见图4b,这与图3类似。截面II取自熔池最宽处。截面III取自熔池尾部后不远处,其最高温度约为1450℃,在图4c中同时画出截面II和III的温度分布。焊缝降温将产生收缩,两侧的金属阻碍其收缩,结果将产生拉伸应变,温度高于力学熔点处,不会有应力存在,因此没有弹性应变,全部拉伸应变为塑性应变,其大小相应于图4c斜阴影高度,在熔合线处拉伸塑性应变出现最大值。离焊缝稍远处将引起升温,它的膨胀受阻,将产生压应变和压应力,板边则出现与压应力平衡的拉应力,应力应变分布如图4c所示。在随后的降温过程中,焊缝一直承受拉伸应变,在温度降到力学熔点以前,这种应变一直是拉伸塑性应变。当温度降到力学熔点以后,焊缝开始出现弹性拉伸应变和拉应力。可以看出,焊缝从凝固温度降到室温的全过程中不存在压应力和压应变,更不存在压缩塑性变形。至于熔池前沿升温膨胀产生的压缩塑性应变和变形,因为焊缝尚未形成,故不能算作焊缝的压缩塑性变形。3讨论3.1消除应力的传统观点从尼古拉也夫ГΑ院士给出的图2、3所示的应力应变分布可知,焊缝存在压缩塑性变形,这种传统的观点一直被焊接界接受,从而也形成了消除应力的原理在于设法使焊缝产生拉伸塑性变形以抵消、补偿已产生的压缩塑性变形的传统观点。图2、3的根本错误在于没有分清加热过程还是冷却过程,若是加热过程,图2、3显然是正确的。但是对焊缝而言,只有冷却过程。在冷却过程中,焊缝收缩受阻将产生拉应力和拉伸变形,不存在压缩塑性变形,因此前述文献的观点是正确的。焊接应力应变分布是消除残余应力原理的基础,基础变了,消除应力的原理需要重新论述了。3.2加热温度未达熔融温度,未达直熔剂温度分布出现内部控制点图4c中应变曲线在熔合线处出现拐点,这是由于局部熔化所致。熔化时温度分布出现拐点,这引起应变分布出现拐点。如果加热温度未达熔化温度,金属未熔化,则温度分布和应变分布都不会出现拐点,也不会出现图4c所示的应变分布。此时的应变分布应该是如图3所示。看来图3与图4c中相反符号的塑性应变的出现是由于是否考虑金属熔化现象造成的。3.3压缩塑性变形焊件沿焊接方向缩短是持有焊缝受压缩观点的一个理由,即焊缝受压缩,产生压缩塑性变形,因此变短了。从上述分析可知,焊缝沿纵向不存在压缩塑性变形,并且一直受拉伸,并产生明显的拉伸塑性变形。那么焊件沿焊缝方向为什么会变短呢?焊缝受拉伸,不等于此处的金属一直受拉伸,在熔池前沿的金属受热产生明显的压缩塑性变形,见图4b。这种压缩塑性变形量与焊缝冷却拉伸变形量相当。此外,熔池凝固还会产生大约3%收缩。三项合在一起,总的结果是产生了收缩变形,焊件变短了。可以说焊件变短主要是由于金属局部熔化随后凝固收缩造成的。3.4微裂纹的形成条件某些高强钢焊接时,在熔合线两侧容易产生横向微裂纹,长度一般不足0.5mm,具有晶间特征,示意图见图5,属于液化裂纹,是热裂纹的一种。拉应力和拉应变是产生热裂纹的必要条件。从图2和图3给出的应变分布可知,在高温阶段,焊缝及近缝区存在压缩塑性变形。如果放弃力学熔点的假设,还会存在少量的压应力。这样,图5所示的液化裂纹就失去了产生的条件。按照作者给出的应力应变分布(图4c),能够很好地解释图5所示的液化裂纹形成机制。当熔合线附近处于脆性温度时,存在拉应力和拉应变,并且熔合线处应变值最大,产生微裂纹。随着远离熔合线,不管是焊缝一侧还是热影响区一侧,应变值陡降,裂纹难以扩展。这就容易解释液化裂纹分布在熔合线附近和裂纹很短的现象。4焊接剩余电压消除原理4.1残余应力的变化焊缝及近缝区纵向残余拉应力一般为屈服应力σs,相应的弹性应变为εs,加上拉伸载荷将产生工作应力σp和应变εp。因为原来的残余应力已达屈服点,故εp全部为拉伸塑性应变,卸载后焊缝和近缝区的弹性应变为εs-εp,最终的残余应力为E(εs-εp)。显然E(εs-εp)<Eεs,即残余应力降低。若外加载荷引起的工作应力σp=σs,则卸载后残余应力全部消失。机械拉伸法消除应力的原理可以这样描述:通过加载拉伸,使焊缝及近缝区产生拉伸塑性应变,从而使拉伸弹性应变和拉应力减少。4.2残余应力消除法低应力无变形焊接法,不管是“静态”还是“动态”的,都是在焊接过程中建立一种焊缝温度低于两侧的温度场,与焊后进行的温差拉伸效果是一样的,其原理在此一并叙述。在建立两侧的温度高于焊缝及近缝区的温度场时,两侧高温区的金属膨胀引起焊缝及近缝区拉伸应力σT和拉伸应变εT,σT与原来的残余应力叠加,引起材料屈服,若原来的残余应力达到屈服应力σs,则产生的应变εT全部为拉伸塑性应变。最终残余应力为σs-σT,残余应力减少了。若σT=σS,则残余应力全部消除,若σT>σS,则焊缝出现压应力。也就是说,此法不仅可消除残余拉应力,还可产生残余压应力。温差拉伸法和低应力无变形焊接法消除应力的原理可以这样描述:在建立两侧温度高于焊缝的温度场时,焊缝产生拉伸塑性应变,这与机械拉伸起到类似作用,使应力降低。其原理也可这样描述:在建立两侧温度高于焊缝的温度场后,在随后的均温过程中,两侧高温区的降温收缩将对焊缝及近缝区沿纵向进行压缩,抵消原来的拉应力,使残余应力降低。4.3ps的残余应力消除说滚压前焊缝的残余拉伸应力为σS,弹性应变为εs,焊缝滚压时产生拉伸塑性变形和拉伸塑性应变εp,滚压后剩余的弹性应变为εs-εp,相应的残余应力为E(εs-εp),显然E(εs-εp)<Eεs,即残余应力降低。若εp=εs,则残余应力全部消失。若εp>εs,则焊缝出现压应力。滚压法消除残余应力的原理可以这样描述:焊缝滚压时产生拉伸塑性应变,使最终的残余弹性应变减少,从而降低了残余应力。可以看出,上述消除残余应力原理中,有一个共同点,即产生拉伸塑性应变,消除应力的过程实质就是将拉伸弹性应变转变为拉伸塑性应变的过程。推而广之,所有消除残余应力的过程都是将弹性应变转变为塑性应变的过程。例如,整体和局部高温消除应力处理是利用金属屈服点的降低和保温过程中应力松驰,使弹性应变转变为塑性应变的。锤击和爆炸消除应力分别是用锤击和爆炸的冲击力使残余拉应力区产生拉伸塑性应变,若这一应变小于εs,则应力降低,若等于εs,则应力全部消除,若大于εs,则产生压应力。振动消除应力时,振动产生的交变载荷与残余应力叠加,交变载荷中的拉伸载荷与机械拉伸起到类似的作用,引起构件相应部位拉伸塑性应变,残余应力降低。5拉应力的消除(1)根据作者提出的应力应变分布(图4c)可知,焊缝不存在压缩和压缩塑性变形,而是受到拉伸和产生拉伸塑性变形。在接近熔点温度,熔合线处拉应变出现最大值,在熔合线两侧,随着到熔合线距