殘余應力_焊接殘余應力的產生以及消除措施

產生殘余應力的機理：

各種機械加工工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會產生不同程度殘余應力。

一、機械加工引起的殘余應力

二、溫度不均勻引起的殘余應力

這種殘余應力的產生主要有以下兩種原因：第一是由于溫度不均勻造成局部熱塑性變形；第二是由于相變引起的體積膨脹不均勻造成局部塑性變形。

三、構件尺寸公差引起的殘余應力

在焊接、鉚接、螺釘連接時往往有公差配合問題。如船體分段對接時必須將對接鋼板拉到一起，這些由外力拉到一起而組合的結構，當外力去除后，整個系統就出現了殘余應力。這種應力一般來說屬于結構應力，大多數情況下處于彈性狀態。

殘余應力的影響

金屬構件（鑄件、焊接件、鍛件），在加工過程中，產生殘余應力，高者在屈服極限附近。構件中的殘余應力大多數表現出很大的危害作用；如使構件的強度降低、降低工件疲勞極限、造成應力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應力的松弛，使構件產生變形，影響了構件的尺寸精度。因此降低和消除構件的殘余應力，就顯得十分必要。

1、對金屬材料屈服極限的影響

如果材料具有拉伸殘余應力，相當于降低了材料的拉伸屈服極限。如果材料具有壓縮殘余應力的情況，使拉伸屈服極限提高而壓縮屈服極限降低。

2、殘余應力對疲勞壽命的影響

人們很早就知道，當受到交變應力的構件存在壓縮殘余應力時，該構件的疲勞強度會有所提高，而存在拉伸殘余應力時，其疲勞強度會有所下降。

電鍍處理的殘余應力由于工藝電流、電鍍液種類、溫度等的不同，使其分布和量值的差異很大，因此電鍍殘余應力對疲勞強度的影響變化也很大。多數金屬在電鍍后表面產生拉伸殘余應力，因此將大大降低疲勞強度。

3、殘余應力對構件變形的影響

殘余應力是一個不穩定的應力狀態。當構件受到外力作用時，作用應力與殘余應力的相互作用，使某些局部呈現塑性變形，截面內應力重新分配，當外力作用去除時整個構件將要發生變形。所以殘余應力明顯地影響著加工后的構件精度。

4、殘余應力對金屬脆性破壞的影響

殘余應力是作為初始應力存在于構件內，特別是拉伸殘余應力與作用拉應力疊加而加速了脆性破壞。

5、殘余應力對應力腐蝕開裂的影響

金屬與周圍介質的接觸而產生化學作用所引起的破壞稱做腐蝕。如果在發生腐蝕的同時還有應力的作用，則會加速腐蝕破壞，這就是應力腐蝕開裂。它的特點是：一是拉應力與腐蝕共存。二是由于材料成分和組織不同、介質不同等，對應力腐蝕的敏感性也不同。有時在不發生腐蝕的介質中，有些金屬在應力作用下也發生應力腐蝕現象。三是在應力腐蝕開裂過程中，首先出現點蝕，再逐步擴展成裂紋，裂紋的擴展主要是沿著最大主應力垂直的方向進行，在微觀上是沿著材料晶界或穿過晶粒進行。

殘余應力的消除方法

1、機械沖擊法：包括錘擊（鐵錘、氣錘等）、超聲沖擊、噴丸法等

a、消除焊接殘余應力（消除拉伸殘余應力，產生有益的壓縮殘余應力）：通過沖擊槍沖擊處理金屬，使金屬表面及一定深度發生塑性變形，從而消除拉伸殘余應力。

b、延長焊接接頭疲勞壽命：在焊趾上處理出一條光滑連續的凹槽，降低應力集中系數，同時使焊趾區形成壓應力，細化焊趾區晶粒，可數十倍甚至上百倍提高焊接接頭疲勞壽命。因為90%以上的焊接結構疲勞斷裂是由焊趾疲勞開裂引起的，焊趾疲勞壽命提高了，焊接結構壽命自然也提高了。

c、強化金屬抗應力腐蝕：細化金屬晶粒、提高綜合機械性能

2、振動時效法

將一個偏心電機安裝在構件上，通過控制電機轉速使得構件和電機共振，達到消除構件殘余應力的目的。消除應力一般30%左右。適合尺寸大的部件。但是，振動時效嚴格說來并不是消除殘余應力，而是均化殘余應力，而且振動時效在工作的時候，如果震動的太厲害是有可能把焊縫震裂開的。缺點：能耗高、成本高、污染大、周期長。

是傳統的消除殘余應力的方法。它借助熱處理設施，將工件由室溫緩慢、均勻加熱至600℃左右，并在此溫度保溫4-8h，而后溫度緩慢冷卻到120℃以下，再出爐冷卻至室溫。優點：可整體消應力，既能消除拉伸應力，也能消除壓縮應力?？上?0~90%的殘余應力。小工件可批量處理。

4、自然時效

將工件放在室外等自然條件下，使工件內部應力自然釋放從而使殘余應力消除或減少。依靠大自然的力量，經過幾個月至幾年的風吹、 日曬、雨淋和季節的溫度變化，給構件多次造成反復的溫度應力。在溫度應力形成的過載下，促使殘余應力發生松弛而使尺寸精度獲得穩定。