本篇將從焊接工藝的角度出發(fā)，分析分析殘余應(yīng)力的成因、影響以及如何控制殘余應(yīng)力。
焊接導(dǎo)致的殘余應(yīng)力，可以說百分之百都是溫差造成的。
從開始加熱到加熱至最高溫度再到焊接完成之后降溫，無時(shí)無刻不存在溫差(如圖1所示)，沿著焊縫周邊當(dāng)然也會(huì)遍布不同程度的殘余應(yīng)力。
圖1 相對(duì)焊縫不同位置，溫度不同
加熱過程中，被加熱區(qū)域的基材有膨脹趨勢(shì)，但是因?yàn)榛钠溆嗖课粶囟容^低不會(huì)膨脹，因此相對(duì)低溫區(qū)域，被加熱區(qū)的膨脹被擠壓產(chǎn)生壓應(yīng)力，如圖2-上所示。
圖2 溫度升高(上)，溫度下降(下)
當(dāng)基材開始熔化，這種情況開始反轉(zhuǎn)，基材熔化導(dǎo)致壓應(yīng)力被完全釋放，隨著后續(xù)焊縫區(qū)域逐漸降溫，這個(gè)時(shí)候材料開始硬化、收縮，焊縫周邊區(qū)域的基材有約束其收縮的趨勢(shì)，這個(gè)時(shí)候應(yīng)力又從0開始以拉應(yīng)力形式逐漸增大，如圖2-下所示。
圖3 焊接過程各個(gè)位置的溫度、應(yīng)力
圖3模擬的是焊接過程中熱源的軌跡，下面我們以圖3中C區(qū)域?yàn)槔?xì)致地聊聊殘余應(yīng)力是如何產(chǎn)生的。
從圖1-右和圖3-c可以看出來，離熱源越近的區(qū)域，溫度越高。
圖2中，熱源自下至上移動(dòng)過程中，靠近熱源的區(qū)域(以C區(qū)域?yàn)槔?，溫度逐漸升高，而隨著溫度升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，伴隨而來的就是材料開始受熱膨脹。
然而，周邊溫度較低的區(qū)域會(huì)限制其膨脹從而產(chǎn)生一定程度的壓應(yīng)力。繼續(xù)升溫會(huì)逐漸軟化基材，軟化程度越高壓應(yīng)力被釋放的越徹底，直至基材熔化、壓應(yīng)力完全消除。
熱源通過并遠(yuǎn)離C區(qū)域向B區(qū)域進(jìn)發(fā)時(shí)，C區(qū)域的溫度逐漸降低，溫度降低會(huì)導(dǎo)致這部分基材收縮。
剛開始降溫時(shí)C區(qū)域的溫度仍然處于高位，這部分材料的屈服強(qiáng)度依然偏低、材質(zhì)仍然偏軟，所以此時(shí)其收縮不會(huì)受到太大的限制。
不過，隨著溫度越來越低，材料的硬度、屈服強(qiáng)度也越來越高(抗力越來越大)，周圍材料對(duì)C區(qū)域收縮的牽制(或約束)也越來越大。
從開始升溫到降溫的整個(gè)過程，應(yīng)力變化與溫度關(guān)系如圖4右半邊所示(壓應(yīng)力從0開始慢慢變大又逐漸消失，降溫時(shí)拉應(yīng)力從0開始慢慢增大)。
圖4 溫度與應(yīng)力關(guān)系
總的來說，焊接導(dǎo)致的殘余應(yīng)力是焊接工藝本身的固有“缺陷”。原因就在于焊接必然伴隨著局部升溫和降溫，在這一升一降的過程中，溫差自然而然會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)域材料體積性的膨脹和收縮，殘余應(yīng)力也就是水到渠成的事情。
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