焊接残余应力调控技术的研究与应用进展_郭政伟.pdf

，.，.基金项目：河南省重大关键技术需求揭榜攻关项目（）；宁波市“”人才计划 年创新团队 类 （）（）：.焊接残余应力调控技术的研究与应用进展郭政伟，龙伟民，王 博，祁 婷，李宁波 上海航天设备制造总厂有限公司，上海 中机智能装备创新研究院（宁波）有限公司，浙江 宁波 残余应力在焊接构件中普遍存在，不均衡分布的残余应力是构件变形和开裂的根源，直接影响焊接构件的承载能力、稳定性和服役寿命。焊接残余应力随构件服役环境及外界载荷变化而动态分布，对残余应力的消减、均化应贯穿焊接构件设计、生产和服役全生命周期。焊接变形及残余应力控制关键在于塑性区的调控，合理的焊接顺序能有效降低工件应力集中并改善其分布状态，及时的焊前预热及焊后回火能有效降低接头温度梯度、松弛应力集中、消减残余应力。对焊缝的锤击松弛处理能抵消部分焊缝区收缩，减小残余拉应力。对焊缝及周边区域施加拉伸、振动时效、超声冲击和喷丸强化等力学形变载荷，可与焊件内部应力叠加促进塑性形变，释放、均衡残余应力。这些方法各有优势，但均需密切结合构件材料、结构及性能控制要求来进行选择。随着制造业转型发展及绿色环保政策驱动，未来工程装备残余应力调控技术会向绿色环保、柔性高效、过程可控、专业化方向转变。关键词 焊接残余应力 焊接顺序 热时效 超声冲击 脉冲磁场中图分类号：文献标识码：，引言焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金及力学的复杂过程，在焊接热循环的急速加热和冷却作用下，焊缝金属及周围母材会发生不均匀、不协调的塑性形变，最终产生焊接残余应力。在环境温度和外载荷叠加作用下，焊接残余应力会动态分布，不均衡分布的残余应力易引起构件变形失稳、裂纹扩展甚至断裂失效，对机械构件的安全、稳定、可靠服役产生重大影响。一般来说，拉伸残余应力促进脆性断裂、弯曲变形和应力腐蚀开裂，降低材料强度和缩短材料的疲劳寿命；而压缩残余应力能提高构件的抗腐蚀、抗疲劳和抗开裂能力。因此，对焊接构件进行残余应力调控，尤其是减小构件表面和内部的拉伸残余应力，显得极为重要。焊接残余应力贯穿于焊接构件的设计、生产和服役全过程，对残余应力的调控也必须兼顾设计、制造等多个环节。国内外学者对焊接残余应力的峰值消减、分布均化开展了大量理论和工程技术研究，但大多集中于退火热处理、振动冲击等焊后调控及简化模型的仿真研究，没有综合考虑材料、结构、工艺、制造等因素对残余应力形成及分布的影响。本文从优化焊缝结构设计、合理布置焊接顺序、随焊锤击松弛塑性区、焊后热时效调控和力学形变调控等方面综述了残余应力调控技术及工艺策略，展望了复杂焊接构件残余应力调控技术的发展与应用前景。焊接残余应力及产生机理应力是指物体在外界载荷或温度场作用下发生变形时，物体内部晶格之间产生相互作用的内力，以抵抗形变作用。单位面积上的内力称为应力，同截面垂直的称为正应力，同截面相切的称为切应力。残余应力是指消除外界载荷或温度场等作用后仍残留在材料表面或内部自相平衡的应力，具有位置、大小和方向三维空间矢量分布特征。当去除外界作用后，若材料晶格相互之间承受的是拉伸作用力，则称之为拉伸残余应力，反之为压缩残余应力。拉伸残余应力可促进腐蚀、催生裂纹，会降低材料的强度和防断裂能力；而压缩残余应力能紧密连接和牢固材料微观织构，提高构件的抗腐蚀、抗疲劳和抗开裂性能。构件材料内部不均匀温度变化、不均匀塑性变形、不均匀相变、不均匀化学固化过程和服役期间的循环载荷作用等多种物理化学过程均会引起残余应力。在焊接过程中，由于高能量热源的瞬时作用，焊缝及其周围母材金属附近形成了不均匀、不稳定的温度场。热应力和组织相变引起的体积变化使构件产生了弹塑性形变，不均匀、不协调的永久塑性形变最终产生了焊接残余应力和残余变形。一般来说，热影响区分布较窄，距离焊趾 ；而焊接残余应力分布区域较广，通常位于距离焊趾 范围内，这个区域内的残余应力最大值通常分布在距离焊址 倍板厚的位置，如图 所示。薄板的残余应力多呈平面应力状态，在厚度方向残余应力很小；而厚板焊接时需采用多层多道熔敷填充，构件承受更多的自身约束和热循环作用，残余应力分布状态更为复杂。图 （）熔焊过程的温度分布；（）熔焊过程的残余应力分布状态（）；（）焊接残余应力的产生受材料、生产和结构等因素综合影响，如图 所示。材料因素主要包括材料特性、热物理常数及力学性能等，因温度变化而异。其中，热导率、热扩散率、比热容、密度以及热熵是影响焊接温度场分布的主要物理参数，随温度变化的线膨胀系数则是决定焊接热应力、应变的重要物理参数。金属材料在加热冷却过程中，其组织相变引起的体积变化以及屈服强度、弹性模量的改变，直接影响焊接弹塑性应力应变的全过程和残余应力的大小。制造因素包括人员、焊接设备、焊接方法、工艺参数和工件状态等。焊接设备及方法（如非熔化极惰性气体钨极氩弧焊（）、熔化极活性气体保护焊（）、变极性等离子弧焊（）等）决定了热源种类和热源能量密度；工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、装焊顺序、预热处理等；工件状态指待焊工件的错边量、对中度、同轴度及表面质量等，合理恰当的制造工艺措施有利于控制焊缝成型质量、消减残余应力峰值、均化残余应力分布。结构因素指焊接接头类型（对接、搭接、形、十字、角接等）、焊缝数量及位置分布、坡口类型及尺寸设计等，合理的焊接结构设计既能保证焊件的强度，还可以均化载荷及热输入分布，调控外部约束限制。材料的热物理和力学特性影响着焊接温度场的分布，决定了焊缝及附近金属运动时的内拘束度；制造因素和结构因素则更多地影响热源周围金属运动的外拘束度。内拘束度与外拘束度相互作用、关联和制约共同决定了焊接残余应力的形成与分布。由此可知，焊接残余应力是焊接瞬态温度场、应力应变场和组织场共同耦合作用的结果，受多种因素交互影响，具有一定的复杂性。图 焊接残余应力产生机理 焊接残余应力对产品性能的影响焊接残余应力会贯穿焊接构件全生命周期，残余应力和变形是影响构件加工和安装精度、降低结构承载能力和稳定性、影响疲劳裂纹萌生和扩展的重要因素。残余应力引起的结构变形、断裂失效、应力腐蚀和疲劳损伤等现象和事故屡见不鲜，对航空航天焊接薄壁构件、特种装备起竖臂体、压力容器本体、桥梁船舶焊接本体、起重机械焊接结构等产品的力学性能和服役安全产生重要影响。残余应力对产品性能的影响如下所述。残余应力导致构件加工精度和尺寸稳定性降低在焊接构件的生产、吊装、机加、转运、储存及服役过程中，受环境温度和外界载荷作用，焊接残余应力平衡状态被焊接残余应力调控技术的研究与应用进展 郭政伟等 打破，应力随时间逐步衰减并重新动态分布，应力的变动会引起构件形状和尺寸的改变，从而影响加工精度和尺寸稳定性。造成焊接构件尺寸不稳定的因素主要有两方面：一是蠕变和应力松弛；二是不稳定组织的存在。如低碳钢焊件在室温下存放两个月，会使残余应力下降 ，这种变化就是由蠕变和应力松弛造成的。一般来说，原始残余应力越小，服役期应力松弛作用也小；服役温度越高，蠕变现象加剧，应力松弛变大。另外，等高强度合金结构钢焊后会产生残留奥氏体，这种残留奥氏体在室温存放过程中会不断转变为马氏体，造成体积膨胀，并使内应力明显减小，从而影响焊件的尺寸稳定性。为保证构件的装配精度和长期使用需求，焊后需精加工的构件宜消除应力后再加工；焊后易产生不稳定组织的材料，应进行焊后热处理调控，稳定组织并消减内应力。残余应力导致构件变形失稳开裂焊接残余应力不仅影响连接件的装配精度和尺寸公差，而且直接影响焊接结构件抵抗静、动载荷的变形能力和载荷卸载后的形变恢复能力。一般来说，切向残余应力易导致构件弯曲变形和开裂，法向残余应力导致构件厚度变形。焊接残余应力对构件失效的影响取决于它们的大小、方向和分布，如表 所示。在构件服役过程中，工作应力与残余应力叠加产生塑性变形超过构件的屈服强度时，构件会发生失稳破坏，丧失承载能力。对于航空航天、特种装备等焊接构件，常常面临高温、交变载荷、高动载等极端服役工况，产品出错风险及后果惨重，对产品质量、可靠性、稳定性要求极高。焊接构件生产完成后，一般会对接头质量进行检测并对应力进行调控，确保构件残余应力在许用范围内，避免产生应力集中，保证装备服役期安全可靠。表 残余应力大小、分布对结构失效的影响分析 应力大小应力分布范围主要影响潜在影响小或大整个构件加工扭曲变形疲劳裂纹萌生加快、构件失稳甚至报废小或大局部微结构区位错密度增加服役构件热影响区腐蚀速率增加小或大整个构件载荷改变焊接构件屈曲模式改变较小裂纹萌生危险区抗疲劳开裂能力增强构件服役寿命延长较大整个构件拉应力载荷增大服役期失效概率增大较大焊接缺陷区抗疲劳开裂能力降低构件服役寿命缩短较大裂纹萌生危险区环境诱导开裂增大构件服役寿命缩短 残余应力导致构件疲劳失效金属构件在残余应力与外界交变载荷叠加作用下，会在构件一定范围内积累塑性变形，形成应力集中区，改变原来应力场分布，严重的会产生微观裂纹，影响产品的疲劳寿命。大量研究表明，焊后热处理、高频力学冲击、振动时效、喷丸强化等手段可显著延长结构的服役寿命。图 列出了退火、喷丸、预应力施加对焊件疲劳寿命的影响。与焊态试样相比，经预应力施加和退火处理的试样疲劳强度在小应力长寿命和大应力有限寿命下均有大幅提升；在低循环载荷作用下，喷丸样品的疲劳强度与焊态样品相似，但在长寿命范围内喷丸样品的疲劳强度显著提高。无论是热调控或力学形变调控，焊接接头疲劳强度得以提高的关键在于减小焊趾周围的拉伸残余应力，或增大焊趾圆弧过渡半径以降低缺口应力集中系数。图 不同处理工艺对焊件疲劳寿命影响 总之，不均衡分布的残余应力是结构件变形和开裂的根源，直接影响焊接构件的承载能力、稳定性和疲劳寿命，会对产品的力学性能和安全服役产生不利影响。焊接残余应力贯穿于焊接构件的设计、生产和服役全过程，随着服役环境及外加载荷变化动态分布。因此，对焊接构件生产服役全过程进行残余应力调整和控制极其重要。焊接残余应力调控技术对金属焊接结构件来说，拉伸残余应力会促进弯曲变形、脆性断裂和应力腐蚀开裂，缩短构件在役疲劳寿命；压缩残余应力能提高构件抗腐蚀、抗疲劳和抗开裂能力。为保证焊接构件及装备质量稳定、服役安全可靠，在焊接结构设计、生产制造等环节对残余应力进行调控就显得极为必要。优化焊缝结构设计焊接设计以结构实用性为核心，以服役可靠性为前提，以工艺性和经济性为制约条件。合理的焊接接头设计既能满足结构承载能力，适应静载荷、动载荷和复杂交变载荷等工况的服役需求，还能缓和焊缝应力集中，把控结构失效模式，提高产品服役可靠性。角焊缝接头应力分布不均，成为结构受力薄弱环节，现有设计准则多是基于试验数据的经验公式，设计冗余较高。李金凤等基于焊缝折合应力和等强度准则设计了 形焊接接头，返现数值模拟结果与理论计算一致，验证了该方法的有效性。研究发现，焊接结构变形及残余应力控制的关键在于塑性区的调控，结构件焊缝布置时，应尽可能减小塑性区的尺寸，控制塑性区的位置及分布；焊接时减少面内约束，采用针对焊缝塑性区的有效装夹。从焊接工艺性角度来看，焊缝结构设计应遵循如下原则：尽可能减少焊缝数量和减小焊缝尺寸，严控内应力源和材料导报，（）：受热区域；避免焊缝集中交叉布置，使应力均匀分布；减少结构受拉区接头数量，禁止在危险截面布置焊缝；采用刚性较小接头设计，增加塑变能力释放应力；充分考虑焊缝施焊空间可达性及操作便利性，保证施焊质量，避免焊接缺陷处应力集中诱发焊接裂纹。合理布置焊接顺序焊接顺序涉及热源移动和材料冷却顺序，是控制焊接变形量的关键，合理的焊接顺序能有效减小工件焊后残余应力并改善其分布，避免焊后收缩、扭转、弯曲、形变等现象发生，进而提高工件的使用性能和延长服役寿命，各国学者在此做了大量的数值模拟和实验研究。研究发现，焊接顺序对管板接头最大等效应力以及径向、切向和轴向残余应力有较大影响，两面交替焊优于其他焊接顺序；修正两面交替焊（）的径向应力峰值较交替焊增加了，其余方向残余应力基本一致，可用于简化工艺，提高焊接效率，如图 所示。图 （）管板焊接结构几何模型；（）焊缝网格划分及焊道焊接顺序；（）焊接顺序对残余应力场峰值的影响（