王澤溪 郭逸軒

（長安大學 工程機械學院，西安 710064）

焊接是一種借助加熱、高壓或釬料使金屬之間相互接合的成型方法。焊接結構的主要優(yōu)點之一是顯著減少或完全去除結構中的眾多緊固件，從而降低制造和維護成本及減輕結構質量。目前，焊接結構廣泛應用于國內外航空航天、海洋工程、冶金及鐵路等眾多領域。焊接殘余應力根據其發(fā)生源可分為直接應力、間接應力和組織應力3 類。直接應力是焊接過程中不均勻加熱和冷卻導致的應力。間接應力是構件經過軋制、拉拔或外界約束等焊前處理所造成的應力，在一些場合下會疊加到焊件中。組織應力是材料相變導致比容變化產生的應力。焊接殘余應力主要由焊接過程中的不均勻加熱和冷卻造成。焊接過程中，高溫區(qū)金屬膨脹，低溫區(qū)金屬收縮，彼此相互制約產生應力，隨著焊槍前移，曾經的高溫區(qū)膨脹金屬降溫收縮，但是會受到先其一步冷卻的金屬制約，正在加熱膨脹的金屬也會對它造成影響，最終在焊件內部產生殘余應力。焊接殘余應力會在環(huán)境溫度和外加載荷的共同作用下發(fā)生動態(tài)分布，進而導致構件失穩(wěn)變形、裂紋擴展及脆性斷裂，嚴重影響構件的服役可靠性。

一般來說，拉伸殘余應力和壓縮殘余應力會對構件產生不同影響。前者促進了構件的裂紋擴展、斷裂及變形，會對構件機械強度造成不利影響，后者則能夠增強構件的抗疲勞和抗斷裂能力[1-3]。因此，對焊接殘余應力進行檢測與調控，對于預測和延長焊接件壽命具有重要意義。

1 焊接殘余應力檢測技術研究現狀

殘余應力檢測技術在20 世紀30 年代開始得到應用，它為應力計算提供了有效驗證和補充，并作為快速準確評價焊接結構服役安全性和可靠性的必要工具得到了廣泛應用。目前為止，已經發(fā)展出多種檢測方法。根據檢測方法是否會對試件造成破壞，可分為有損檢測法和無損檢測法兩大類[4-6]。

1.1 有損檢測法

有損檢測法主要原理是通過破壞試件的局部釋放殘余應力，測量破壞位置邊緣的位移和應變，然后計算得到試件內部的殘余應力。有損檢測法主要包括鉆孔法、壓痕應變法和輪廓法等。

鉆孔法是利用待測孔邊緣一定位置處粘貼的應變片來測量鉆孔后的應變增量，從而計算殘余應力，具有易操作、成本低、測量精度高、可靠性好等優(yōu)點，并以國家標準作為參考，是工程中最常用的檢測方法[7-8]。它的測量精度與孔周圍塑性變形、應變片的位置及尺寸等多種因素相關，眾多學者對其進行了完善與修正。劉曉紅等使用基于孔邊形狀改變比能S 的A、B 系數修正法，消除了孔邊塑性變形對測試結果的影響，提升了測量精度并擴大了測量范圍[9]。HAGARA 等通過數字圖像相關技術對孔周圍的應變進行分析，建立了鉆孔法與數字圖像相關技術相結合的非接觸式鉆孔法，獲得了全局殘余應力云圖，證實了通過數字圖像相關技術實現殘余應力的高精度測量具有很好的發(fā)展前景[10]。

壓痕應變法基于硬度測試原理，壓痕的出現會導致含殘余應力的試件產生應變增量，可利用記錄的應變增量換算獲取試件的殘余應力[11-12]。ZHANG 等利用壓痕法測試了不銹鋼異種焊接殘余應力，發(fā)現有限元模擬與壓痕法測量結果吻合良好[13]。該方法對于試件造成的損傷極小，而且具有操作簡單、適用范圍廣、測量精度高等優(yōu)點，對于保證構件安全性有著重要意義。壓痕法測試精度與塑性區(qū)大小密切相關，因此需要保證壓痕與應變片測量區(qū)域在合理的距離內。

1.2 無損檢測法

有損檢測法是工程中常用的檢測方法，但會對結構整體造成一定的損壞，多數情況下不允許采用。無損檢測法以材料的某些物理性能受殘余應力的影響而發(fā)生的變化為依據，通過檢測變化的數據得到構件中的殘余應力，主要包括X射線衍射法、中子衍射法和超聲波法等。

材料內部的殘余應力及產生的應變在微觀尺寸上表現為晶格間距的變化。X 射線衍射法主要是利用布拉格方程，通過測量晶格間距隨應力大小發(fā)生的變化來衡量殘余應力的大小[14]。何山等采用X 射線衍射法測量了Q235B 無縫鋼管焊接接頭的殘余應力，結果表明，采用手工方式打磨焊接表面可以提高測試的精度[15]。X 射線衍射法不僅能測量金屬材料的殘余應力，還能測量涂層和薄膜的殘余應力[16]。它具有測量速度快、精度高等優(yōu)點，但X 射線穿透能力有限，因此該方法僅能測量表層的殘余應力。

中子衍射法與X 射線衍射法原理類似，但中子的穿透性更強，能夠測量一定深度的殘余應力分布，是研究殘余應力的重要手段[17]。REID 等通過中子衍射法測量了高強度低合金鋼板的焊接殘余應力，結果表明：焊縫和熱影響區(qū)產生的殘余應力大于屈服強度，且殘余應力大小隨焊縫深度的增加而顯著降低，符合焊接殘余應力的理論分布規(guī)律，中子衍射法可以有效測量殘余應力分布[18]。但是其測試設備較大，耗時較長且費用較高，不適合現場作業(yè)，無法測量材料表面及近表面的殘余應力。因此，需結合X 射線衍射法來獲取完整全面的殘余應力分布[19]。

2 焊接殘余應力調控技術研究現狀

焊接殘余應力調控分為焊前調控和焊后調控兩類。前者從焊接設計和工藝出發(fā)控制焊接變形量和受熱區(qū)域，達到削弱焊后殘余應力的目的；后者通過加熱或力的作用來控制焊后殘余應力。

2.1 焊前調控

焊前調控旨在焊接過程中削弱或消除殘余應力，避免焊后的再次調控。為達到控制殘余應力的目的，不同的焊接結構需要選擇不同的結構參數，主要有坡口類型、坡口角度、焊縫數量等。合理的焊接接頭設計不僅能滿足復雜工況下結構的服役要求，還可以緩解焊縫處的應力集中，延長結構的使用壽命。蔡建鵬等通過有限元法研究了V 形坡口和K 形坡口對異種鋼焊接殘余應力的影響，發(fā)現與V 形坡口相比，K 形坡口能較好地減小焊接殘余應力和變形[20]。金俊對單邊V 形坡口和Y 形坡口的不同坡口角度下焊接殘余應力分布進行數值模擬，發(fā)現坡口角度逐漸增大，無論是單邊V 形坡口還是Y 形坡口，焊接殘余應力均變大，坡口角度不變，Y 形坡口的殘余應力普遍小于單邊V 形坡口[21]。焊縫結構的設計應盡可能減少焊縫數量并嚴格控制受熱區(qū)域，焊縫應避免布置在危險截面處，還要考慮焊縫的焊接空間是否便于操作，以保證焊接質量。

從焊接工藝方面，可以通過改變焊接熱輸入、焊接速度和焊接順序等來降低焊接殘余應力。眾多學者研究發(fā)現，較低的焊接熱輸入、較大的焊接速度和多次交替的焊接順序可以更好地削弱焊接殘余應力[22-24]。

2.2 焊后調控

對于超大容器和反應塔等大型焊接件，焊前調控并不適用，而且針對一些特定材料，如果無法正確進行焊前調控，會增大殘余應力進而影響結構使用壽命。此時，焊后調控能夠解決焊接殘余應力的控制問題。焊后調控法包括熱處理法、噴丸法和錘擊法等。

熱處理法是將工件逐漸加熱到退火溫度并保溫一段時間后緩慢冷卻，以降低焊后殘余應力并改善焊后組織及力學性能。姜鋒等將Al-Mg-Sc 合金焊接板材在350 ℃下保溫1 h，發(fā)現消除焊接殘余應力的同時焊接接頭強度和硬度均有一定的提升[25]。王國慶等對Q235 焊接件分別進行不同溫度和不同保溫時間的熱處理，讓試件隨爐冷卻至室溫，采用小盲孔法測量試件殘余應力，發(fā)現高溫下的短時保溫或低溫下的長時保溫均可有效降低焊后殘余應力[26]。該方法作為焊后調控的主要方法，能夠有效降低大多數金屬焊接件的殘余應力，但是由于耗時耗能、成本高等缺點，并不適用于大型焊接件。

傳統(tǒng)噴丸法利用大量的剛性彈丸，在高頻下對材料表面進行循環(huán)沖擊，使材料表面發(fā)生塑性變形，從而在材料表面引入殘余壓應力場來延長構件的疲勞壽命。ZHAO 等對不同參數下噴丸試驗產生的壓應力場進行研究，發(fā)現隨著噴丸強度、噴丸時間、彈丸直徑和硬度的增加，噴丸效果越來越好，但是在各項參數超過臨界值后噴丸效果會被削弱[27]。雖然傳統(tǒng)噴丸法成本較低，但是它增大了材料的表面粗糙度，會加劇磨損，因此需要與光整加工配合使用來保證表面質量。SOYAMA 等通過對比空化噴丸和傳統(tǒng)噴丸對不銹鋼疲勞強度的影響發(fā)現，空化噴丸和傳統(tǒng)噴丸均會提高試件的疲勞強度，延長試件的壽命，疲勞試驗中兩者引入的壓應力都逐漸降低，但空化噴丸的降低幅度比傳統(tǒng)噴丸低[28]?？栈瘒娡枘茉谠嚰砻娈a生殘余壓應力，且表面粗糙度小于傳統(tǒng)噴丸，具有較高的研究價值和應用前景。

3 結語

工程領域中，殘余應力的檢測與調控技術一直都是研究的重點，文章簡要介紹了焊接殘余應力檢測與調控技術的研究現狀。相比于以前通過單一測試方法研究殘余應力的二維分布情況，如今的研究者們傾向于利用多種測試手段結合的方式了解殘余應力的三維分布，從而為后續(xù)工作提供準確且全面的數據支持。由于殘余應力的復雜性及各種檢測方法的局限性，現有的殘余應力檢測方法在準確性、有效性等方面依舊不能滿足工業(yè)需求，研究開發(fā)更加高效、便利、準確的殘余應力檢測方法仍是各國學者有待解決的重要問題。

目前，多數工程常用焊后調控手段來控制焊接殘余應力。但是焊后調控不僅費時費力，而且在處理過程中易使工件二次變形?，F階段，殘余應力調控手段雖然多，但是仍需要根據構件材料、結構及性能等因素合理選擇調控手段。因此，發(fā)展能夠實時檢測焊接過程應力分布及變形量的原位調控技術，以便隨時調整焊接工藝及調控工藝，從而更加準確、高效地調控焊接殘余應力，將是今后殘余應力調控技術發(fā)展的方向之一。