焊接残余应力对构件的危害

王砚青

[摘 要]近年来，机械振动焊接对残余应力的影响及机理得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先介绍了与机械焊接相关的概念，分析了焊接残余应力相关问题。在探讨振动消除残余应力的同时，结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就其他减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

[关键词]机械振动焊接；残余应力；影响；机理

中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）39-0001-01

1 前言

作为一项实际要求较高的实践性工作，机械振动焊接对残余应力的影响有着其自身的特殊性。该项课题的研究，将会更好地提升对机械振动焊接问题的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项工作的最终整体效果。

2 与机械焊接相关的概念分析

2.1 焊接

也称作熔接、镕接，是一种以加热方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接透过下列三种途径达成接合的目的：加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物辅助单独加热熔点较低的焊料，无需熔化工件本身，借焊料的毛细作用连接工件在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两工件间相互渗透接合，依具体的焊接工艺，焊接可细分为气焊、电阻焊、电弧焊、感应焊接及激光焊接等其他特殊焊接。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如野外、水下和太空。

2.2 振动摩擦焊接机工作原理分析

振动焊接是摩擦焊接过程，其间被焊接的制件在压力下磨擦到一起直到生成的磨擦和剪切热量使头蚧面达到充分熔融状态。一旦熔融膜已经形成渗入到足够深的沓接区域，相对运动停止，在压力作用下焊缝冷却并固化。振动焊接适用几乎所有的热塑笥塑料，往复运动方向上具有允许的无约束运动焊缝的制件，中型或大型制件。振动焊接的材料因素与超声焊接类似：无定形材料比半结晶聚合物更适合采用振动焊接的类似。环形振动焊接可连接焊区尺寸与焊区到旋转轴的距离近似相等的制件。线性振动焊接用在允许一个方向上线性振动的成套制件上。接头当被连接的整个表面是平的或稍向平面外弯曲时，对制件来说振动焊接工艺是最理想的。振动焊接尤其适合热塑性材料。

3 焊接残余应力相关问题的概述

3.1 含义

焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接残余应力，是焊接工程研究领域的重点问题。涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。例如，在土木工程领域，对于钢结构焊接连接，残余应力对结构的疲劳性能，稳定承载力等均有影响。

3.2 模拟应用

近年来计算机数值模拟技术逐渐应用于焊接结构残余应力的研究中。焊接残余应力应力的计算机模拟采用热力耦合的弹塑性有限元模型，采用热分析与静力分析耦合的方法，计算得到了包括激光焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、惯性摩擦焊等高新焊接技术在内的几乎所有焊接技术得到的焊接结构中的残余应力分布。模拟结果与实验测得值吻合良好，计算机模拟方法正在逐步推广成为工业界广泛采用的一种不可或缺的数字化制造技术。

4 振动消除残余应力的探究

振动消除应力实际上是用周期的动应力与残余应力叠加，是局部产生塑性变形而释放应力。这里残余应力是作为平均应力提高周期应力水平而起作用的。振动处理是对构件施加一交变应力，如果交变应力幅与构件上某些所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时，这些点产生塑性变形。如果这些循环应力使某些点产生晶格滑移，尽管宏观上没有达到屈服极限，也同样产生塑性变形，况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上。

4.1 振动消除应力原理

其实质是以振动的形式给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观塑性变形，从而降低和均化工件内的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。实际使用情况表明，经过振动时效设备的工件尺寸精度稳定性良好，振动时效设备费用仅为热时效的10%左右，能源消耗不到热时效的5%。由于振动时效技术经济效果日益显著，其应用范围也不断扩大。在机械制造、航空、化工器械、动力机械等行业中，用钢、铸铁、有色合金等材料制造的各类零件成功地采用了振动时效设备。

这种工艺是将激振器牢固地夹持在被处理工件的适当位置上，通过振动设备的控制部分，根据工件的大小和形状调节激振力，并根据工件的固有频率调节激振频率，直至使联结在工件上的振动传感器所接收的信号达到一个最大值。这时标志工件已达到共振。在这种状态下持续振动一段时间，即可达到消除应力、稳定尺寸精度的目的。由于这种工艺日趋成熟，振动和控制设备日臻完善，振动时效设备已为十多个工业发达国家广泛采用。

4.2 振动消除应力特点

投资少、生产周期短、使用方便，振动消除应力设备体积小，重量轻，便于便携、无非器机辐射污染、节约能源降低成本、操作简单、易于实现机械化自动化。

5 其他减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法探究

5.1 利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力

焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。据利用预热法来控制焊接残余应力构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。

5.2 利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力

焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力。

5.3 利用高温回火来消除焊接残余应力

由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点，而金属在高温下屈服点将降低。所以将构件的温度升高至某一定数值时，应力的最大值也应该减少到该温度下的屈服点数值。如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。

5.3.1 整体高温回火

将整个构件放在炉中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。通过整体高温回火可以将构件中百分之八九十的残余应力消除掉，这是生产中应用最广泛、效果最好的一种消除残余应力的方法。

5.3.2 局部高温回火

只对焊缝及其局部区域进行加热消除残余应力。消除应力的效果不如整体高温回火，此方法设备简单，常用于比较简单的、刚度较小的构件，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接接头等焊接残余应力的消除。

5.4 利用温差拉伸法来消除焊接残余应力

温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热，在焊炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动。这就形成了一个两侧温度高、焊接区温度低的温度差。两侧金属受热膨胀对温度较低的區域进行拉伸，这样就可消除部分残余应力。

6 结束语

综上所述，加强对机械振动焊接对残余应力影响的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的机械振动焊接过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

参考文献

[1] 赵文华.机械振动焊接对焊接质量的影响[J].机械管理开发.2016（10）：60-62.