關于避免應力集中和消除金屬工件焊后中殘余應力的一些討論

一、避免應力集中：

1、應力集中現象及概念

        材料在交變應力作用下產生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應力遠小于其靜載下的強度極限時，破壞可能發生。另外材料會由于截面尺寸改變而引起應力的局部增大，這種現象稱為應力集中。對于由脆性材料制成的構件，應力集中現象將一直保持到最大局部應力到達強度極限之前。因此，在設計脆性材料構件時，應考慮應力集中的影響。對于由塑性材料制成的構件，應力集中對其在靜載荷作用下的強度則幾乎無影響。所以，在研究塑性材料構件的靜強度問題時，通常不考慮應力集中的影響。

        承受軸向拉伸、壓縮的構件，只有在寓加力區域稍遠且橫截面尺寸又無劇烈變化的區域內，橫截面上的應力才是均勻分布的。然而實際工程構件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺紋等，致使這些部位上的截面尺寸發生突然變化。如開有圓孔和帶有切口的板條，當其受軸向拉伸時，在圓孔和切口附近的局部區域內，應力的數值劇烈增加，而在離開這一區域稍遠的地方，應力迅速降低而趨于均勻。這時，橫截面上的應力不再均勻分布，這已為理論和實驗證實。

圖2-31

圖2-32

        在靜荷載作用下，各種材料對應力集中的敏感程度是不同的。像低碳鋼那樣的塑性材料具有屈服階段，當孔邊附近的最大應力達到屈服極限時，該處材料首先屈服，應力暫時不再增大。如外力繼續增加，增加的應力就有截面上尚未屈服的材料所承擔，是截面上其他點的應力相繼增大到屈服極限，該截面上的應力逐漸趨于平均，如圖2-32所示。因此，用塑性材料制作的零件，在靜載荷作用下可以不考慮應力集中的影響。而對于組織均勻的脆性材料，因材料不存在屈服，當孔邊最大應力的值達到材料的強度極限時，該處首先斷裂。因此用脆性材料制作的零件，應力集中將大大降低構件的強度，其危害是嚴重的。這樣，即使在靜載荷作用下一般也應該考慮應力集中對材料承載能力的影響。然而，對于組織不均勻的脆性材料，如鑄鐵，其內部組織的不均勻性和缺陷，往往是產生應力集中的主要因素，而截面形狀改變引起的應力集中就可能成為次要的了，它對于構件的承載能力不一定會造成明顯的問題。

2、現實中避免應力集中的一些方法

（1）應力集中避免與利用

        受力零件或構件在形狀、尺寸急劇變化的局部出現應力顯著增大的現象。如傳動軸軸肩圓角、鍵槽、油孔和緊配合等部位，受力后均產生應力集中。這些部位的峰值應力從集中點到鄰近區的分布有明顯的下降，呈現很高的應力梯度。零件的早期失效常發生在應力集中的部位,因此了解和掌握應力集中問題，對于機械零件的合理設計和減少機械的早期失效有重要意義。
        彈性力學中的一類問題，應力在固體局部區域內顯著增高的現象。多出現于尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰域。應力集中會引起脆性材料斷裂；使物體產生疲勞裂紋。在應力集中區域，應力的最大值（峰值應力）與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關。局部增高的應力值隨與峰值應力點的間距的增加而迅速衰減。由于峰值應力往往超過屈服極限而造成應力的重新分配，所以，實際的峰值應力常低于按彈性力學計算出的理論峰值應力。反映局部應力增高程度的參數稱為應力集中系數k，它是峰值應力與不考慮應力集中時的應力的比值，恒大于1且與載荷大小無關。在無限大平板的單向拉伸情況下，其中圓孔邊緣的k＝3；在彎曲情況下，對于不同的圓孔半徑與板厚比值，k＝1.8～3.0；在扭轉情況下，k＝1.6～4.0。
        1898年德國的 G.基爾施首先得出圓孔附近應力集中的結果 。1910年俄國的G.V.科洛索夫求出橢圓孔附近應力集中的公式。20世紀20年代末 ，蘇聯的N.I.穆斯赫利什維利等人把復變函數引入彈性力學，用保角變換把一個不規則分段光滑的曲線變換到單位圓上，導出復變函數的應力表達式及其邊界條件，進而獲得一批應力集中的精確解。各種實驗手段的發展也很快，如電測法、光彈性法、散斑干涉法、云紋法等實驗手段（見實驗應力分析）均可測出物體的應力集中。近年來計算機和有限元法以及邊界元法的迅速發展，為尋找應力集中的數值解開辟了新途徑。
         為避免應力集中造成構件破壞，可采取消除尖角、改善構件外形、局部加強孔邊以及提高材料表面光潔度等措施；另外還可對材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強度。用ANSYS模擬鋼筋混凝土梁兩點對稱加載，集中荷載如何布置才能避免應力集中造成混凝土過早破壞！ 在加載點加一個墊塊。通過等效線荷載施加好像值得試試，不過線荷載分布長度不宜太大！曲線預應力筋作用按照等效荷載作用替代，端頭軸力按照實際錨具承壓端板大小劃分一個面，在此面作用軸壓力，可以解決集中力過大問題。 北京奧運會體育場游泳館的幕墻 ETFE膜結構幕墻設計要點?。?/span>4）關鍵節點的設計，以避免應力集中；摘　要：探討加權組合預測方法在應力集中問題中的應用,以帶小孔的拉板為例,對采樣點的數據分別建立GM(1,1)模型、趨勢曲線預測模型和最優加權組合預測模型,并對各模型的誤差和進行比較.結果表明,組合預測模型的擬合和預測精度比單個模型要高.因此,用最優加權組合預測模型來推求應力集中區的最大應力,是工程測試數據處理的一種比較實用的新方法.邊界元法在艙口角隅應力集中問題中的應用灰色系統模型及其在應力集中問題中應用在工程結構的凹角、缺口、溝槽、孔洞附近均會發生應力集中，其中孔洞附近的應力局部增高稱為孔邊應力集中。在水利工程中，大壩的壩踵附近以及壩內廊道附近的應力局部增高是應力集中的典型實例。 
        由于應力集中能使結構發生裂紋，甚至斷裂，須采取措施，防止因應力集中而造成的結構損壞，主要措施有：①改善結構外形，避免形狀突變，盡可能開圓孔或橢圓孔；②結構內必須開孔時，盡量避開高應力區，而在低應力區開孔；③根據孔邊應力集中的分析成果進行孔邊局部加強。

（2）實際工程中圓滑的角避免應力集中。

        在制作各種拉力工具時，拉腳的拐彎處應設圓角，這并不是為了美觀，這是為了避免應力集中。應力集中指由于受力構件由于幾何形狀、外形尺寸發生突變而引起的局部范圍內內應力顯著增大的現象。應力集中會造成構件的斷裂。圓角的大小應根據工具的外形尺寸決定，太大影響工具的效應，太小工具容易斷裂損壞。對于常用的較小拉制工具，圓角半徑在2-3毫米為佳，較大在5毫米左右。對于特殊形狀的工具根據實際情況確定。但或大或小必須留圓角。

二、焊后殘余應力與消除方法探索

1、焊后殘余應力7 V- B; g" H1 k
        金屬工件與建筑焊接鋼結構的焊接一樣，同樣存在焊接殘余應力。以上海安亭蘊藻浜大橋為例，鋼號為Q345B，σs=345MPa。其先在工廠進行箱型分段焊接，然后在現場進行拼焊。采用盲孔法對拼焊殘余應力進行測量，結果如表1：表1 蘊藻浜大橋現場焊后殘余應力
            位置            應力Mpa  最大主應力    最小主應力    剪應力    縱向應力    橫向應力

上表面埋弧焊縱縫    極值            315                 -95              133            77             287

                                  平均值          157                     2                78            64               94: [* ^/ o( g 

下表面手工焊縱縫    極值              81                 -74                79            48              -34

                                  平均值            62                 -46                54            31               -15

人孔封板手工焊縫    極值             261                 94                79           232             133                                 

                                  平均值           184               103                41           173             1145f y& z- h3 b; M" a3 ^$ z3 
                                                                                  表17 X" c; n2  B+ V7 y* j

結果表明：下表面焊縫為先焊焊縫，殘余應力水平比較低，而后焊接的上表面焊縫的應力水平則很高，個別值接近母材σs，平均值接近或超過σs/2水平；下文表2、3、4的數據也可以證實這種狀況。焊接構件由于存在高的拉伸殘余應力，且焊縫部位存在熱影響區、焊趾缺陷、接頭應力集中，形成構件上組織和力學的薄弱部位，有可能導致構件運行時的變形、早期開裂、應力腐蝕、疲勞斷裂和脆性斷裂。因此，在可能的情況下采用適合的時效工藝以改善組織性能及消除殘余應力，將可有效地提高構件的穩定性和安全性及使用壽命。6 t. Y4 2 建筑鋼結構殘余應力的消除工藝/ ~1 E2 k/ I2 g
實際上一些高要求的建筑大型焊接鋼結構上已采用了時效工藝，包括有技術標準支持的熱時效、振動時效、TIG重熔和錘擊工藝，以及研發中的振動焊接、超聲沖擊、爆炸法技術。
  9 l0 U8 W3 C! A- E& Q) {) Q2.1 熱時效
0 ]! q8 V8 b; v$ D; c1 V表2 金茂大廈轉換柱熱時效消應力效果分析表
- P0 ^* }7 T( ^( J) |3 M( P殘余應力（MPa） 最大主應力 最小主應力 縱向應力 橫向應力
' S" h, F8 _. Z% z2 w$ b6 j熱處理前平均值   135          51           58       1289 E+ |- e+ L$ O% |
熱處理后平均值    79          16           30        64
% M  ?3 n+ T+ |5 o7 R& \: O3 Z3 R6 x5 _熱處理前后差值    56          35           28        64
6 e; Z8 _& a5 w/ Y變化率（%）       41          68           48        50
5 K+ \9 u  [8 H% F對重要焊接構件先進行整體熱時效，然后在現場與其它構件進行組合拼焊的工藝是建筑鋼結構制造常采用的方法。上海金茂大廈的鋼架采用全焊接結構，在工廠完成零部構件制造、且對受力構件－轉換柱先進行整體熱時效，然后運現場拼焊。采用盲孔法殘余應力測量技術對轉換柱熱時效工藝效果的評定結果見表2。
* n8 M) y9 Z: I$ \/ D5 X1 ^( x: e% t目前，熱時效仍是一種主流工藝，其具有焊縫去氫、恢復塑性和消應力三重功能。一般認為熱時效的消應力效果為40－80％，表2的結果符合這個規律；然而對建筑鋼結構而言，現場拼焊而產生的殘余應力將依然存在于鋼結構中，而在現場進一步采用熱時效工藝就十分困難了；局部熱時效可以降低被處理焊接接頭的應力，但加熱帶邊緣會產生新的熱處理應力，且局部熱時效實施比較困難，能耗很大。因此，需考慮其它補充、替代工藝。# l8 t& ^& A' B: \
2.2 TIG 重熔
2 S  `' l( h" C焊趾缺陷是一種焊道融合線上中難以避免的小而尖銳、連續的缺陷，往往成為結構疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG 重熔工藝對焊趾進行修整，重建裂紋起裂前的狀態，降低由于焊趾缺陷所造成的應力集中現象，以延長了疲勞壽命。同時TIG 重熔也能改善焊縫區的橫向殘余應力；上海寶冶工程技術公司進行重型門式起重機大梁維修，對其拘束模擬焊接試板焊縫TIG 重熔前后的殘余應力，通過X& j3 o' E  _9 N  A( v射線方法進行測量，測定結果見表3。

由此可見：TIG重熔對于焊縫的縱向殘余應力改善不明顯，殘余應力絕對值下降不大；但對于縱向殘余應力的均勻分布有一定效果。但對橫向殘余應力有明顯的改善效果，殘余應力絕對值下降明顯而且分布趨于均勻?？紤]到建筑鋼結構的載荷特點以及生產效率的要求，TIG重熔可在橫向拘束應力大的焊道上，作為緩和橫向殘余應力、降低應力集中的輔助工藝。4 o5 f/ u) A% p. G/ O. }
表3重熔前后殘余應力均值對比（材料：Q345；單位Mpa）9 ?& h3 H( y) n$ g6 ^, i
縱向應力 橫向應力編號 重熔前 重熔后下降量％ 重熔前 重熔后  下降量％7 ]; D$ i# S& s
            1           209    199   5.0      56      57     -2.3
            " i: q* |$ o8 w) N  m5 O  _* ]2           206    240   -16.4    59      64     -8.0, p/ L9 n6 T! X0 r5 {"       3           236    213    9.6     -57     29     -150
            & ~4 o2 f* r" o5 c5 i4           265    245    7.7     259     84     67.5
            6 \8 w& R1 b% ]$ W; c4 X5           189    201    -6.4    206     114     44.6- c" r8 * T1 `6 T           6           221    219    0.7     105     70     33.49 I9 y4 _% N! \1 S4 x& v
                    表4 典型焊接構件振動時效的效果
; P& t0 Q* _2 c2.3
9 R: `% S: b2 H$ f. N振動時效（VSR）
    1 |2 d1 l' t9 [振動時效是對構件施加交變應力，與構件上的殘余應力疊加達到材料的屈服應力，發生局部的宏觀和微觀塑性變形；這種塑性變形往往首先發生在殘余應力最大處和構件的應力集中點，使這里的殘余應力得以釋放，達到降低和均化殘余應力的作用。應用振動時效技術在我國已達25年，相繼出臺三個技術標準[1]，也已納入我國建筑鋼結構施工規范，技術成熟。由于振動時效經濟性好、方法簡單、工藝快捷、效果顯著、適用面廣，且不受構件的大小、重量以及場地的限制，7 {$ \; F+ D) M: F: {已廣泛應用于機床、起重運輸、冶金、化工等制造業，也滲入到核工業（核反應堆內構件、核聚變設備）、磁懸浮交通、宇航等高尖領域。幾個典型焊接構件振
% Y8 l* I7 y( B1 |* ]9 K' O動時效的效果分析見表4。* t; w( `3 P  p3 v; B" V, \  X表4 典例皆應用功率不大于2KW的振動時效設備，對一個構件的處理時間一般為20－45分鐘，結果表明：振動時效的消應力效果為20－50％；盡管振動時效不具備去氫和恢復塑性的功能，但從尺寸穩定性比較，已達到和超過熱時效的水平，振動時效是一種以消應力、提高尺寸穩定性為目標的替代熱時效的先進工藝。盡管目前振動時效在建筑鋼結構應用尚少，$ j7 q4 s% i% c5 q5 `% V- r+ E但根據建筑鋼結構的載荷特點與施工要求，振動時效有可能成為今后建筑鋼結構消應力的主流工藝之一。
8 L0 n! x7 N0 p* Y0 t: p2.42 X: Q2 B. x) G) o; v0 j, ^* `8 k
振動焊接（VW or VCW）+ E" v, B/ m5 ]- b
    振動焊接又稱振動調制焊接、隨焊振動，是目前國內外正在研發的新技術；在振動時效標準的附錄中，已確認為可與振動時效組合的工藝之一[1]。其不改變原有的焊接工藝；在焊接過程，通過一個幾百瓦的小激振器對構件注入頻率和振幅可控的振動，即形成振動焊接。這種限幅的振動，勢必對焊接熔池和熱影響區產生一定的作用：  d& d3 H6 P3 }' x+ a1 P
⑴當焊縫金屬在熔融狀態下，由于振動使氣泡、雜質等容易上浮、排除。

工程 材料尺寸mm/ 重量ton消應力效％
. m* c) q% t* p  u$ k  ^200 噸級行車大梁 Q235 29000*3200*2000 13-22
) S: {/ i7 n- w* ]9 J4000 噸級鍛機上橫梁 Q235 130 噸 29
" T6 F- M/ A% `  \9 b$ V4 }: s港口起重機卷筒體 Q345 D1400*13800δ50 30－568 M6 i2 L; R8 H& Z0 L8 f
核聚變試驗裝置底板 304L D7800 δ90 31
& c- j: N+ G- ^7 o6 U/ ^9 s300MW 火電機架 20G D2900*3400 22-49- \+ t  l; \1 v; |; R6 V
磁懸浮交通功能件 16Mn+軟磁鋼 3000*500*450 31, j/ o8 ]7 r/ Y* j& q+ e$ J/ Y
        ⑵在結晶過程振動可細化晶粒，使焊縫的力學性能得到提高。
        ⑶溫度大于600℃的區域，材料在強度逐步恢復的冷卻過程中，伴隨振動的熱塑性變形，使逐步形成的焊接殘余應力得到降低和均化，可減少焊接變形及焊接裂紋的形成。
        表5 是對BB503 厚板(90mm)電渣焊采用振動焊接的應力測量結果。BB503 材料的屈服強度為295－315Mpa，試驗表明：采用振動焊接（VW）或復合振動焊接（VSR+VW）可明顯降低殘余應力水平，且接頭性能優化，如：側彎合格率也由原25％上升為75-100％。對Q235材料焊接的H型輕鋼（H900X200X6/8，長6m）的試驗表明，振動焊接可使焊接變形下降21-32％。0 G: r9 D4 W7 Q

表5 BB503 厚板振動焊接的殘余應力測量結果) C' [2 t4 U' V2 I
                    工藝                   最大主應力     最小主應力     縱向應力      橫向應力1 W, w5 T1 v/ S! q) M
                 0.6gVW                  極值  209           -92                  206                85
                                             平均值 117            -16                  109                 -8
        3gVW＋0.6gVSR          極值  81            -121                    64                24
                                             平均值 37               -47                    28               -39% n  v7 y+ g1 `  i
        國內外的研究和實驗都表明，振動焊接工藝經濟、簡便、高效，特別是可以在大型焊接鋼結構上實施，振動焊接在降低焊縫殘余應力、減少工件變形、提高結構疲勞壽命、提高接頭力學性能，即全面提高焊縫質量方面有顯著作用?；谡駝雍附拥膬烖c，在我國重大工程中，對一些采用熱時效工藝有困難的結構，已開始試驗振動焊接工藝，包括核聚變試驗裝置、大厚壁高爐爐體、大直徑閥體等。若能加強振動焊接在建筑鋼結構上的應用試驗和技術標準的建設，振動焊接很可能成為補充、替代傳統熱時效的又一重要工藝。! ~+ g! r1 X* m% g0 R+ `/ M& f

2.5 超聲沖擊與錘擊C4 L/ X0 s9 F
         超聲沖擊消應力技術由烏克蘭巴頓焊接研究所提出，近年引入我國，已在北京電視臺鋼結構立柱上進行過試驗。超聲沖擊消應力工藝的特點是：在超聲（≥16KHz）下應用束狀沖頭，在對焊趾和焊縫表面進行沖擊；試驗表明：
         ⑴超聲沖擊對一定深度的表層有消應力的效果，在采用對焊道全覆蓋沖擊時，被沖擊的表面會形成壓應力，對2～4mm 深度層消應力效果可達34～55％。
         ⑵采用焊趾沖擊法，可以快速修復焊趾的缺陷，降低應力集中。并伴隨其壓應力區的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應力，下降率達19％，對提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。
        (3)由于沖擊工藝處理的特點，僅可以用于沖擊工具可達的外表面，其工作效率約為1200mm2/min。沖擊工藝是以點接觸、壓應力屈服為主要特征的“面效應”型消應力工藝，伴隨一定的振動時效效果，比較適合高拘束狀態短焊縫的局部處理。如局部的焊接修復、大構件的組配焊接以及在厚壁結構上焊小構件，其焊縫處承受較大的拘束應力，且焊后易產生延遲冷裂紋等情況?？勺鳛槠渌麘に嚨难a充工藝。應用人工或氣動的錘擊消應力工藝，通過敲擊振動及表面壓應力屈服實現消應力效果。該工藝已進入美國鋼結構焊接規范，我國也成功應用于大型轉爐的焊接和大型水輪機異重金屬焊接的消應力處理。由于錘擊工藝難以規范，對周邊干擾大，勞動強度高，往往作為補充、應急工藝。

2.6 爆炸法工藝A/ i  A" N8 c) G
        將特種專用炸藥沿焊縫走向粘貼在焊縫附近。炸藥引爆后產生連續的沖擊波迫使結構的峰值應力區域發生塑性變形，以此達到消應力的目的。據報道消除厚度可達70mm，效果可達60％，瞬間完成，適合大型和特大型結構，在水利涵管方面應用較多。爆炸法消應力施工時十分強調安全措施，故在城市建筑中應用有一定困難。

參考文獻：

1、《工程力學》 作者：王彪 出版社：中國科學技術大學出版社

2、《設計中的應力集中系數》 作者：R.E.彼德遜
出版社 ：中國工業出版社    出版時間：1965年05月北京第1版

3、《殘余應力的產生和對策》 作者：米谷茂   出版社：機械工業出版社  

出版時間：1983-04

4、《建筑鋼結構進展》 作者：澳門大學土木及環境工程系 中國澳門(郭偉明);香港理工大學土木及結構工程系 中國香港(滕錦光;鐘國輝)  出版時間：2007-03

5、王威,王社良,蘇三慶,徐金蘭;《鋼鐵材料結構構件工作應力的檢測方法及特點[J]》;《鋼結構》;2004年05期

6、陳會麗;爆炸焊接復合板界面殘余應力的研究[D];昆明理工大學;2005年

7、李榮鋒,譚伯聰,李立軍,邱保文;爆炸法消除100t轉爐爐殼中腰環縫的焊接殘余應力[J];冶金設備;2000年01期

8、李榮鋒;戴樹和;沈士明;吳國運;;爆炸預處理提高WD鋼模擬CGHAZ韌性的研究[A];2001中國鋼鐵年會論文集（下卷）[C];2001年