焊接殘余應(yīng)力是什么
導(dǎo)讀
焊接殘余應(yīng)力，是焊接工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題。涉及焊接的各種工程應(yīng)用中，都十分關(guān)注殘余應(yīng)力的影響。那么這種看不見(jiàn)摸不著的東西到底是個(gè)什么呢？好吧，進(jìn)入本期關(guān)注點(diǎn)。
小剛
聽(tīng)說(shuō)異種鋼焊管的焊接接頭容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，書上說(shuō)應(yīng)力腐蝕是材料、使用環(huán)境和應(yīng)力三個(gè)因素共同作用時(shí)發(fā)生的，既然材料和使用環(huán)境不能隨意改變，那只能在殘余應(yīng)力上下功夫了。如果能夠降低殘余應(yīng)力就好了，可殘余應(yīng)力到底是怎么產(chǎn)生的？如何才能降低呢？
小剛
真是一頭霧水啊，還是去張博士那請(qǐng)教請(qǐng)教吧。
冷焊機(jī),電火花堆焊修復(fù)機(jī),鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī),精密補(bǔ)焊機(jī),模具修補(bǔ)機(jī),被覆機(jī),發(fā)電電焊機(jī)
小剛通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與張博士取得了聯(lián)系。
小剛
張博士，好久不見(jiàn)！今天來(lái)向您請(qǐng)教如何防止焊管產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題嘛，先不談焊管吧。首先我們來(lái)看看殘余應(yīng)力是如何產(chǎn)生的，下圖就是焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型圖。你知道這個(gè)圖和焊接有什么關(guān)系嗎？
Dr.張
小剛
棒對(duì)應(yīng)的就是焊縫吧，棒的長(zhǎng)短對(duì)應(yīng)焊縫的熱脹冷縮，可是彈簧代表什么呢？
彈簧代表的是焊縫周邊的母材對(duì)焊縫變形的拘束啊。
Dr.張
小剛
哦，就是把焊縫和母材分開(kāi)來(lái)考慮吧？
沒(méi)錯(cuò)。那你知道如果棒的溫度升高會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象嗎？下圖可以幫助你理解。
Dr.張
小剛
從圖上看圓棒加熱時(shí)產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，這讓我想起來(lái)一個(gè)公式：ε=αT，ε代表應(yīng)變量，α代表熱膨脹系數(shù)，T代表溫度變化量。
基本功挺扎實(shí)嘛！圓棒在自由膨脹時(shí)不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，反之，如果圓棒的膨脹受到拘束就會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，這就是所謂的“熱應(yīng)力”。
Dr.張
小剛
但是為什么冷卻后卻變成了殘余拉應(yīng)力呢?盡管圓棒在加熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，但是冷卻后彈簧會(huì)恢復(fù)到初始長(zhǎng)度，那圓棒也恢復(fù)到了初始長(zhǎng)度，那就不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力了啊，就像這樣：
這個(gè)么…問(wèn)題提得很好，下面來(lái)解釋為什么冷卻后會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力吧。對(duì)于上面提到的模型，如果對(duì)圓棒進(jìn)一步加熱會(huì)發(fā)生什么呢？
Dr.張
小剛
熱應(yīng)變應(yīng)該會(huì)增加吧，并且產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力會(huì)越來(lái)越大。當(dāng)壓縮應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，圓棒就會(huì)發(fā)生塑性變形了。
沒(méi)錯(cuò)，這個(gè)過(guò)程可以用下圖來(lái)解釋。為了使示意圖更直觀，我們假設(shè)彈簧的剛度是無(wú)限大的。另外再假設(shè)彈簧可以自由伸縮，想象一下圓棒會(huì)如何變形。
Dr.張
正如你剛才所說(shuō)，因受熱產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，塑性變形就會(huì)發(fā)生。也就是說(shuō)熱膨脹量的一部分因?yàn)榘l(fā)生塑性變形而永久性的收縮了，相當(dāng)于圓棒因收縮變短了。
Dr.張
小剛
所以冷卻后圓棒的長(zhǎng)度就比初始長(zhǎng)度短了。哎不對(duì)呀，圓棒是想收縮，可實(shí)際上圓棒受到彈簧的拘束沒(méi)法自由收縮，它被彈簧拽住了所以最終殘留了拉應(yīng)力。
Bingo！殘余拉應(yīng)力就是這么來(lái)的。現(xiàn)在產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因找到了，下面講講殘余應(yīng)力的大小是如何計(jì)算的。下圖是應(yīng)力—溫度圖。
Dr.張
小剛
哦，從圖上能看出應(yīng)力隨著溫度的變化趨勢(shì)，并且還能顯示最終的殘余應(yīng)力大小。
首先，在溫度升至A點(diǎn)之前，圓棒發(fā)生的都是彈性變形。接下來(lái)，圓棒的膨脹受到拘束，產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力。
Dr.張
小剛
我明白了，應(yīng)力σ=Eε，而ε=αT，所以σ=-EαT（E是彈性模量）。
孺子可教啊。
Dr.張
小剛
接下來(lái)的A→B階段圓棒是不是發(fā)生了塑性變形，并且壓縮應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度相等？
沒(méi)錯(cuò)。那從B點(diǎn)（Tmax）冷卻至室溫時(shí)，產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，那應(yīng)力值怎么計(jì)算呢？
Dr.張
小剛
產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因呢，是因?yàn)榧訜釙r(shí)發(fā)生彈性變形的那部分冷卻后能恢復(fù)到原始長(zhǎng)度，但發(fā)生塑性變形的那部分無(wú)法恢復(fù)，如果任其自由收縮，則圓棒的長(zhǎng)度必然比原來(lái)的短，但實(shí)際情況是圓棒因受到彈簧的拘束無(wú)法變短，因此受到彈簧的拉應(yīng)力。
小剛
如何計(jì)算殘余應(yīng)力值，是不是應(yīng)該這樣考慮：圓棒在整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中的變形量其實(shí)就是塑性變形階段（A→B）的變形量，而該階段產(chǎn)生的變形量是溫度從T1升至Tmax的過(guò)程中發(fā)生的，因此產(chǎn)生的塑性變形量應(yīng)該是（αTmax-αT1）L，那么殘余應(yīng)力σR= Eα(Tmax-T1)。從這個(gè)公式看出，殘余應(yīng)力的大小與材料加熱到的最高溫度密切相關(guān)啊。
沒(méi)錯(cuò)，眼光越來(lái)越犀利了啊！
一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)最高加熱溫度Tmax在T1與T2之間時(shí)，殘余應(yīng)力的大小可由上述公式計(jì)算得到，但是當(dāng)Tmax超過(guò)T2后情況就不一樣了，來(lái)看下面這張圖。
Dr.張
小剛
從這個(gè)圖來(lái)看，Tmax超過(guò)T2后，殘余應(yīng)力σR恒等于σY，不隨溫度的升高而增加了。
沒(méi)錯(cuò)，如果冷卻過(guò)程中殘余應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生拉伸塑性變形，因此殘余應(yīng)力是不會(huì)超過(guò)屈服強(qiáng)度的。
Dr.張
小剛
真是豁然開(kāi)朗啊！
目前為止，我們討論的動(dòng)力學(xué)模型都是建立在假設(shè)彈簧（即拘束）的剛度是無(wú)限大的基礎(chǔ)上的，實(shí)際上焊縫周邊的拘束是可變的。那么提個(gè)問(wèn)題：如果焊縫周邊的拘束是可變的，那Tmax在T1與T2之間時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)有什么不同呢？
Dr.張
小剛
如果拘束比較小，殘余應(yīng)力就不會(huì)這么快達(dá)到屈服強(qiáng)度吧，也就是說(shuō)拘束小時(shí)T1和T2比拘束大時(shí)的要高吧？
對(duì)的。反過(guò)來(lái)說(shuō)，拘束增加，T1、T2會(huì)降低，那么材料在較低的溫度下就會(huì)發(fā)生塑性變形，從而更容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
Dr.張
小剛
那如何知道T1、T2是多少呢？
對(duì)于低碳鋼，一般T1約100℃，T2約200℃。
Dr.張
小剛
這么說(shuō)低碳鋼100℃以上就會(huì)發(fā)生塑性變形了，不至于吧？
事實(shí)就是這樣，不過(guò)當(dāng)材料的抗拉強(qiáng)度翻番時(shí)，屈服強(qiáng)度基本上也會(huì)翻番，這樣就不會(huì)那么容易發(fā)生塑性變形了。
Dr.張
因此不管任何情況下，只要牢記T1、T2的值與材料的屈服強(qiáng)度和焊縫周圍的拘束度密切相關(guān)就行了
Dr.張
小剛
一開(kāi)始我還以為這個(gè)東西很簡(jiǎn)單呢，沒(méi)想到越講越深?yuàn)W啊。
所以數(shù)值模擬和仿真很重要啊。
Dr.張
小剛
嘿嘿，勞煩博士再給漲漲知識(shí)！像我剛來(lái)時(shí)提到的異種鋼接頭的多層多道焊應(yīng)該很難模擬吧，即使是薄板的單道次焊接感覺(jué)都沒(méi)那么簡(jiǎn)單。
事在人為嘛。我們采用有限元模擬過(guò)異種鋼管道多層多道焊的殘余應(yīng)力，下圖中包含了模擬的一些基本信息，我們一共模擬了108道次呢。
Dr.張
小剛
108道次啊！太不可思議了！
看下面的視頻，每一道次焊接時(shí)應(yīng)力如何變化，都可以從視頻中看出來(lái)。
Dr.張
下面的圖給出了分別給出了45、75和108道次焊完后接頭的軸向和周向應(yīng)力分布圖。
Dr.張
小剛
之前總認(rèn)為應(yīng)力是看不見(jiàn)摸不著的，沒(méi)想到數(shù)值模擬能把它完美地呈現(xiàn)出來(lái)，簡(jiǎn)直太驚艷了！
我突然想到一個(gè)問(wèn)題，不知道在同一層上從右向左焊和從左向右焊對(duì)殘余應(yīng)力有沒(méi)有影響。
下圖可以回答你這個(gè)問(wèn)題。實(shí)線是從左向右焊時(shí)A-A’上的應(yīng)力分布，虛線是從右向左焊的。
Dr.張
小剛
這么看來(lái)同一層上的焊接順序的改變對(duì)殘余應(yīng)力沒(méi)有影響嘛。
是啊，通過(guò)模擬可以讓你在焊接施工前就掌握了一些變量及參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力可能產(chǎn)生的影響，還能指導(dǎo)你如何減小殘余應(yīng)力。當(dāng)然了，如果不知道殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，即使做再多的模擬也無(wú)法指導(dǎo)生產(chǎn)，更不用說(shuō)指導(dǎo)你如何減小殘余應(yīng)力了。
Dr.張
小剛
嗯嗯，我一定努力學(xué)習(xí)。現(xiàn)在我已經(jīng)大概知道了殘余應(yīng)力是如何產(chǎn)生的，那有沒(méi)有一些簡(jiǎn)單的能夠減小殘余應(yīng)力的方法呢？
那給你介紹幾個(gè)已經(jīng)成功應(yīng)用的方法吧，焊前可制定合理的焊接工藝，如減小熱輸入量、降低拘束度、改善焊接順序等。
Dr.張
在焊接過(guò)程中，可采用水冷法，如下圖所示，在焊槍后面安裝一個(gè)水冷裝置來(lái)及時(shí)給焊道降溫。
Dr.張
焊后可進(jìn)行焊后熱處理，也可采用噴丸處理使工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。當(dāng)然也有很多其它的方法也在研究中。總的來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)這些方法使焊縫及其周邊區(qū)域的殘余應(yīng)力降低。
Dr.張
小剛
今天不僅明白了殘余應(yīng)力是怎么產(chǎn)生的，如何利用數(shù)值模擬來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，還學(xué)到了不少減小殘余應(yīng)力的方法，真是不虛此行啊。
參考這些知識(shí)回去解決我的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題去啦，太感謝您了，張博士！
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