绘图摘要
【冲压模具3D】
【注塑模具3D】
焊接残余应力分析及消除方法
1.什么是焊接应力
焊接应力是由于焊接而在焊接构件中产生的应力。
焊接过程中焊件内部产生的内应力以及焊接热过程引起的焊件形状和尺寸的变化。
焊接过程中温度场的不均匀及其引起的局部塑性变形和不同的特定体积组织是产生焊接应力与变形的根本原因。当焊接引起的温度场不均匀还未消失时，焊件内部的应力与变形称为瞬时焊接应力与变形；焊接温度场消失后的应力与变形称为残余焊接应力与变形。在没有外力作用下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力与变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观。
2、焊接应力的危害
焊接残余应力对焊接件有六个影响：
①对强度的影响：如果在残余拉应力较高的区域存在严重的缺陷，焊件在脆性转变温度以下工作，焊接残余应力会降低静载强度。在循环应力作用下，如果应力集中点存在残余拉应力，焊接残余拉应力会降低焊件的疲劳强度。焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数、应力循环特征系数[6][min]/[6][max]和循环应力的最大值[6][max]有关。其影响随应力集中系数的减小而减小，随[6][min]/[6][max]的减小而增大，随[6][max]的增大而减小。当[6][max]接近屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。
②对刚度的影响：焊接残余应力与外载荷引起的应力叠加，可能造成焊件局部过早屈服，产生塑性变形钢结构应力和变形受力分析计算书，使焊件刚度降低。
③对受压件稳定性的影响：焊接杆件在受压时，焊接残余应力与外载荷引起的应力叠加，可能造成杆件局部屈服或局部失稳，杆件的整体稳定性会降低。残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力的分布情况。残余应力对非封闭截面(如工字形截面)杆件的影响大于对封闭截面(如箱形截面)杆件的影响。
④对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响，焊件刚度越小、加工量越大，对精度的影响越大。
⑤对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间而变化，焊件尺寸也随之变化。焊件的尺寸稳定性也受残余应力稳定性的影响。
⑥对耐腐蚀性能的影响：焊接残余应力与载荷应力一样，也会引起应力腐蚀开裂。
焊接残余应力对结构、零部件的影响：
焊接残余应力是构件在承受载荷前，截面上存在的初始应力，在构件服役过程中，它叠加在其他载荷引起的工作应力上，引起残余应力的二次变形和重新分布，不仅会降低结构的刚度和稳定性，而且在温度和介质的综合作用下，会严重影响结构的疲劳强度、抗脆性断裂、应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂等性能。
3、消除焊接应力的方法
目前采用的消除应力失效的方法有振动时效（消除30%~50%的应力）、热时效（消除40%~70%的应力）和霍金PT时效（消除80%~100%的应力）。
预热
先对重要焊接构件进行整体热时效处理，再在现场与其他构件焊接在一起的焊接工艺，是建筑钢结构制造中常用的方法，具有焊缝中除氢、恢复形状、消除应力的三重作用，一般认为热时效的消除应力效果可达40%以上。
重熔
焊趾缺陷是焊缝熔合线上难以避免的细小、尖锐、连续的缺陷，常常成为结构疲劳失效的裂纹源。
常采用TIG重熔工艺修复焊趾，重建裂纹萌生前的状态，降低焊趾缺陷引起的应力集中，延长疲劳寿命。同时，TIG重熔还能改善焊缝区域横向残余应力；重熔对焊缝纵向残余应力改善效果不明显，残余应力绝对值下降不多；但对纵向残余应力的均匀分布有一定改善作用；但对横向残余应力有明显的改善作用，残余应力绝对值明显下降且分布趋于均匀。
振动应力消除
振动时效是对构件施加交变应力的过程，该应力叠加在构件上的残余应力上，使材料达到屈服应力，引起局部宏观和微观塑性变形。这种塑性变形往往首先发生在构件残余应力最大处和应力集中处，使此处的残余应力得到释放，从而达到降低和均匀残余应力的效果。
振动时效设备虽然不具备除氢、恢复塑性的功能，但在尺寸稳定性方面已达到并超过了热时效的水平；振动时效是以消除应力、提高尺寸稳定性为目的，代替热时效的先进工艺。
振动焊接
振动焊接又称振动调制焊接、振动伴焊，在振动时效标准附录中已被确认为可与振动时效相结合的工艺之一，它不改变原有的焊接工艺，在焊接过程中，由激振器向构件内注入可控频率和振幅的振动，即形成振动焊接。这种振幅振动势必对焊接熔池和热影响区产生一定的影响：
（1）当焊缝处于熔融金属状态时，气泡、杂质容易因振动而上浮和去除。
（2）在再结晶过程中振动晶粒，有利于晶粒细化；
（3）在温度大于600摄氏度的区域，材料逐渐恢复强度并冷却，伴随振动的热塑变形使焊接残余应力降低和均匀化，从而减少焊接变形和焊接裂纹的形成。
焊接应力释放设备
焊接应力释放设备可以冲击焊趾，快速修复焊趾缺陷，降低应力集中。其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾处未被冲击的焊缝残余应力。焊接应力释放设备可以沿焊缝方向以每秒2万次的频率冲击焊趾，使其产生较大的压缩塑性变形，导致焊趾处产生圆滑的几何过渡，大大降低应力集中；消除焊趾表面的微小裂纹和夹渣缺陷，抑制焊接裂纹的过早萌生钢结构应力和变形受力分析计算书，调整应力场，产生一定的压应力，使焊趾得到强化，对提高焊接接头疲劳寿命有显著的作用。
爆炸技术
在焊缝附近沿焊缝方向粘贴特制炸药，炸药起爆后产生连续冲击波，迫使结构峰值应力区发生塑性变形，从而达到应力消除的目的。瞬间完成，适用于大型、特大型结构。爆炸法应力消除施工强调安全措施，在城市建筑中应用有一定难度。
结尾
