機(jī)械應(yīng)力消除法對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響分析

宋金鵬

大型機(jī)械工程中，鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于焊接技術(shù)的要求是比較高的，直接關(guān)乎工程的施工質(zhì)量。如何消除在焊接后殘留的應(yīng)力一直都是影響焊接技術(shù)的主要問(wèn)題，相關(guān)從業(yè)人員對(duì)于消除焊接殘余應(yīng)力的研究也是比較重視的。本文簡(jiǎn)單介紹了應(yīng)用機(jī)械應(yīng)力消除法對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的影響作用。

隨著機(jī)械工程技術(shù)的不斷發(fā)展，為了能夠減少焊接過(guò)程中出現(xiàn)的變形現(xiàn)象，采取合理科學(xué)的方式對(duì)焊接應(yīng)力進(jìn)行減少是十分有必要的。焊接殘余應(yīng)力和變形對(duì)于焊接質(zhì)量的影響是十分嚴(yán)重的，并且在很大程度上降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，主要變化在強(qiáng)度、剛度和受壓穩(wěn)定性等方面。除此之外，對(duì)于結(jié)構(gòu)的加工精度與尺寸的穩(wěn)定性也有不利的影響。在工程實(shí)踐中，經(jīng)常采用機(jī)械應(yīng)力消除法來(lái)消除殘余的焊接應(yīng)力，從而提高焊接工程的質(zhì)量。

一、機(jī)械應(yīng)力消除法的基本概念

機(jī)械應(yīng)力消除法是普遍應(yīng)用于工程實(shí)踐中消除焊接殘余應(yīng)力的方法，其具體方式是在焊接結(jié)構(gòu)部分適當(dāng)?shù)氖┘油獠繅毫Γ@樣可以用外部施加的壓力與焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力形成合力，從而起到減少焊接殘余應(yīng)力的作用。實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮到以下幾個(gè)問(wèn)題：一是具體工件是否適合采用機(jī)械應(yīng)力消除法對(duì)其進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的消除；二是對(duì)工件施壓部分要進(jìn)行科學(xué)合理的有效處理；三是分析工件對(duì)于外部施壓位置、時(shí)間、大小的具體操作。因此對(duì)于具體施工中是否采用機(jī)械應(yīng)力消除法處理焊接殘余應(yīng)力應(yīng)當(dāng)具體問(wèn)題具體對(duì)待，進(jìn)行科學(xué)有效的分析，從而確定施工的具體操作。

二、焊接殘余應(yīng)力的分布與影響

實(shí)踐證明焊接殘余應(yīng)力在焊接構(gòu)件中基本上都是雙軸向存在的，在焊接構(gòu)件的厚度方向一般是比較小的。根據(jù)焊接構(gòu)件的結(jié)構(gòu)不同，焊接縫的長(zhǎng)度也有所區(qū)別，所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力分布的情況也就有很大的差異。這些差異的存在會(huì)影響機(jī)械應(yīng)力消除法具體實(shí)施中的作用效果。

1.縱向殘余應(yīng)力

由低碳鋼和普通合金鋼組成的焊接構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行焊接處理過(guò)程中，焊接縫及其附近區(qū)域的縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，這些應(yīng)力在數(shù)值上最大可以達(dá)到材料的屈服極限。當(dāng)工件為圓筒形時(shí)由焊接所引起的縱向應(yīng)力的分布會(huì)稍有不同，這個(gè)數(shù)值取決于圓筒的直徑、厚度以及焊接過(guò)程中壓縮塑性變形區(qū)域的寬度。針對(duì)不同的材料與形狀，焊接殘余應(yīng)力的分布也會(huì)呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

2.橫向殘余應(yīng)力

焊接過(guò)程中產(chǎn)生的橫向應(yīng)力，一般可以被認(rèn)為是兩塊鋼板邊緣在焊接縫處進(jìn)行了重新的對(duì)接與組合，在這個(gè)焊接邊緣的縱向方向肯定存在一定的收縮量，但是兩塊鋼板因?yàn)楹附涌p的存在使其成為了一個(gè)不可分割的整體，因此也會(huì)產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，焊接縫的兩端會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力，這些應(yīng)力都?xì)w屬于橫向殘余應(yīng)力的范圍。

3.非自由狀態(tài)下焊接的殘余應(yīng)力

當(dāng)焊接是在焊件的非自由狀態(tài)下進(jìn)行的，由此而產(chǎn)生的變形行為會(huì)受到實(shí)際情況的限制。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，會(huì)使得焊接后構(gòu)件的內(nèi)部出現(xiàn)不可避免的內(nèi)應(yīng)力。

4.封閉焊接引起的內(nèi)應(yīng)力

焊接過(guò)程中極其容易出現(xiàn)一些封閉的焊接縫，這些封閉的焊接縫的約束度很大，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也是非常大的。焊接的剛度和嵌入體在很大程度上影響著封閉條件下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，一般而言，隨著剛度的增大，內(nèi)應(yīng)力也會(huì)隨之增大。

三、焊接殘余應(yīng)力的延伸影響

1.對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工件穩(wěn)定性的影響

實(shí)際應(yīng)用中承受拉力載荷時(shí)，焊接殘余應(yīng)力與載荷相互疊加，會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件的強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力的存在，會(huì)改變構(gòu)件對(duì)于外部載荷面積分布的情況。在這種情況下，一旦構(gòu)件受到局部壓塑性變性后，將會(huì)使得構(gòu)件整體的穩(wěn)定性下降。焊接殘余應(yīng)力的分布會(huì)在很大程度上影響到受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性。

2.對(duì)構(gòu)件脆性斷裂的影響

在機(jī)械工程中，低應(yīng)力情況下的脆性斷裂事先是很難被發(fā)現(xiàn)的，但是其危害性卻也是巨大的。通過(guò)工程實(shí)踐的數(shù)據(jù)表明，低應(yīng)力脆性斷裂與構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷很容易造成這種情況的發(fā)生。因此對(duì)于構(gòu)件的脆性斷裂問(wèn)題應(yīng)當(dāng)充分考慮在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響。

四、使用機(jī)械應(yīng)力消除法對(duì)于減少焊接殘余應(yīng)力的具體措施

首先，焊接工藝方面減少焊接殘余應(yīng)力，具體方式有：減少焊接縫的數(shù)量，在保證結(jié)構(gòu)的前提下，有效地減少焊接縫的尺寸和數(shù)量；焊接縫的分布不要太過(guò)密集，盡量避免出現(xiàn)交叉的情況；在滿(mǎn)足工藝的前提下，選擇剛性較小的接頭形式；盡量降低接頭的剛度，可以在實(shí)際操作中運(yùn)用反變形法減少剛度來(lái)減少焊接殘余應(yīng)力。

其次，考慮對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的消除是否有必要，主要從構(gòu)件的尺寸、用途、材料以及工作條件等方面進(jìn)行綜合性的考慮。

最后，如果確定采用機(jī)械應(yīng)力消除法減少焊接殘余應(yīng)力，在施工后要進(jìn)行科學(xué)有效的評(píng)定。保證機(jī)械應(yīng)力消除法的每一步操作的正確性，同時(shí)要對(duì)處理后的工件進(jìn)行效果評(píng)定，確保處理的徹底和有效性。

五、結(jié)語(yǔ)

對(duì)工件進(jìn)行焊接處理的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，這些應(yīng)力的存在，在很大程度上影響了構(gòu)件的質(zhì)量和使用壽命，由此帶來(lái)的質(zhì)量隱患也是十分嚴(yán)重的，因此對(duì)進(jìn)行焊接操作后的工件進(jìn)行處理是十分有必要的，只有這樣才可以在保證焊接質(zhì)量的前提下充分發(fā)揮工件的重要作用。

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