关于避免应力集中和消除金属工件焊后中残余应力的一些讨论

一、避免应力集中：

1、应力集中现象及概念

        材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。

        承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而实际工程构件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和实验证实。

图2-31

图2-32

        在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就有截面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图2-32所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静载荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承载能力的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对于构件的承载能力不一定会造成明显的问题。

2、现实中避免应力集中的一些方法

（1）应力集中避免与利用

        受力零件或构件在形状、尺寸急剧变化的局部出现应力显著增大的现象。如传动轴轴肩圆角、键槽、油孔和紧配合等部位，受力后均产生应力集中。这些部位的峰值应力从集中点到邻近区的分布有明显的下降，呈现很高的应力梯度。零件的早期失效常发生在应力集中的部位,因此了解和掌握应力集中问题，对于机械零件的合理设计和减少机械的早期失效有重要意义。
        弹性力学中的一类问题，应力在固体局部区域内显著增高的现象。多出现于尖角、孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处及其邻域。应力集中会引起脆性材料断裂；使物体产生疲劳裂纹。在应力集中区域，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。局部增高的应力值随与峰值应力点的间距的增加而迅速衰减。由于峰值应力往往超过屈服极限而造成应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算出的理论峰值应力。反映局部应力增高程度的参数称为应力集中系数k，它是峰值应力与不考虑应力集中时的应力的比值，恒大于1且与载荷大小无关。在无限大平板的单向拉伸情况下，其中圆孔边缘的k＝3；在弯曲情况下，对于不同的圆孔半径与板厚比值，k＝1.8～3.0；在扭转情况下，k＝1.6～4.0。
        1898年德国的 G.基尔施首先得出圆孔附近应力集中的结果 。1910年俄国的G.V.科洛索夫求出椭圆孔附近应力集中的公式。20世纪20年代末 ，苏联的N.I.穆斯赫利什维利等人把复变函数引入弹性力学，用保角变换把一个不规则分段光滑的曲线变换到单位圆上，导出复变函数的应力表达式及其边界条件，进而获得一批应力集中的精确解。各种实验手段的发展也很快，如电测法、光弹性法、散斑干涉法、云纹法等实验手段（见实验应力分析）均可测出物体的应力集中。近年来计算机和有限元法以及边界元法的迅速发展，为寻找应力集中的数值解开辟了新途径。
         为避免应力集中造成构件破坏，可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等措施；另外还可对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理，以提高材料表面的疲劳强度。用ANSYS模拟钢筋混凝土梁两点对称加载，集中荷载如何布置才能避免应力集中造成混凝土过早破坏！ 在加载点加一个垫块。通过等效线荷载施加好像值得试试，不过线荷载分布长度不宜太大！曲线预应力筋作用按照等效荷载作用替代，端头轴力按照实际锚具承压端板大小划分一个面，在此面作用轴压力，可以解决集中力过大问题。 北京奥运会体育场游泳馆的幕墙 ETFE膜结构幕墙设计要点　（4）关键节点的设计，以避免应力集中；摘　要：探讨加权组合预测方法在应力集中问题中的应用,以带小孔的拉板为例,对采样点的数据分别建立GM(1,1)模型、趋势曲线预测模型和最优加权组合预测模型,并对各模型的误差和进行比较.结果表明,组合预测模型的拟合和预测精度比单个模型要高.因此,用最优加权组合预测模型来推求应力集中区的最大应力,是工程测试数据处理的一种比较实用的新方法.边界元法在舱口角隅应力集中问题中的应用灰色系统模型及其在应力集中问题中应用在工程结构的凹角、缺口、沟槽、孔洞附近均会发生应力集中，其中孔洞附近的应力局部增高称为孔边应力集中。在水利工程中，大坝的坝踵附近以及坝内廊道附近的应力局部增高是应力集中的典型实例。 
        由于应力集中能使结构发生裂纹，甚至断裂，须采取措施，防止因应力集中而造成的结构损坏，主要措施有：①改善结构外形，避免形状突变，尽可能开圆孔或椭圆孔；②结构内必须开孔时，尽量避开高应力区，而在低应力区开孔；③根据孔边应力集中的分析成果进行孔边局部加强。

（2）实际工程中圆滑的角避免应力集中。

        在制作各种拉力工具时，拉脚的拐弯处应设圆角，这并不是为了美观，这是为了避免应力集中。应力集中指由于受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起的局部范围内内应力显著增大的现象。应力集中会造成构件的断裂。圆角的大小应根据工具的外形尺寸决定，太大影响工具的效应，太小工具容易断裂损坏。对于常用的较小拉制工具，圆角半径在2-3毫米为佳，较大在5毫米左右。对于特殊形状的工具根据实际情况确定。但或大或小必须留圆角。

二、焊后残余应力与消除方法探索

1、焊后残余应力7 V- B; g" H1 k
        金属工件与建筑焊接钢结构的焊接一样，同样存在焊接残余应力。以上海安亭蕴藻浜大桥为例，钢号为Q345B，σs=345MPa。其先在工厂进行箱型分段焊接，然后在现场进行拼焊。采用盲孔法对拼焊残余应力进行测量，结果如表1：表1 蕴藻浜大桥现场焊后残余应力
            位置            应力Mpa  最大主应力    最小主应力    剪应力    纵向应力    横向应力

上表面埋弧焊纵缝    极值            315                 -95              133            77             287

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

下表面手工焊纵缝    极值              81                 -74                79            48              -34

                                  平均值            62                 -46                54            31               -15

人孔封板手工焊缝    极值             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

结果表明：下表面焊缝为先焊焊缝，残余应力水平比较低，而后焊接的上表面焊缝的应力水平则很高，个别值接近母材σs，平均值接近或超过σs/2水平；下文表2、3、4的数据也可以证实这种状况。焊接构件由于存在高的拉伸残余应力，且焊缝部位存在热影响区、焊趾缺陷、接头应力集中，形成构件上组织和力学的薄弱部位，有可能导致构件运行时的变形、早期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂。因此，在可能的情况下采用适合的时效工艺以改善组织性能及消除残余应力，将可有效地提高构件的稳定性和安全性及使用寿命。6 t. Y4 2 建筑钢结构残余应力的消除工艺/ ~1 E2 k/ I2 g
实际上一些高要求的建筑大型焊接钢结构上已采用了时效工艺，包括有技术标准支持的热时效、振动时效、TIG重熔和锤击工艺，以及研发中的振动焊接、超声冲击、爆炸法技术。
  9 l0 U8 W3 C! A- E& Q) {) Q2.1 热时效
0 ]! q8 V8 b; v$ D; c1 V表2 金茂大厦转换柱热时效消应力效果分析表
- P0 ^* }7 T( ^( J) |3 M( P残余应力（MPa） 最大主应力 最小主应力 纵向应力 横向应力
' S" h, F8 _. Z% z2 w$ b6 j热处理前平均值   135          51           58       1289 E+ |- e+ L$ O% |
热处理后平均值    79          16           30        64
% M  ?3 n+ T+ |5 o7 R& \: O3 Z3 R6 x5 _热处理前后差值    56          35           28        64
6 e; Z8 _& a5 w/ Y变化率（%）       41          68           48        50
5 K+ \9 u  [8 H% F对重要焊接构件先进行整体热时效，然后在现场与其它构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。上海金茂大厦的钢架采用全焊接结构，在工厂完成零部构件制造、且对受力构件－转换柱先进行整体热时效，然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果的评定结果见表2。
* n8 M) y9 Z: I$ \/ D5 X1 ^( x: e% t目前，热时效仍是一种主流工艺，其具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为40－80％，表2的结果符合这个规律；然而对建筑钢结构而言，现场拼焊而产生的残余应力将依然存在于钢结构中，而在现场进一步采用热时效工艺就十分困难了；局部热时效可以降低被处理焊接接头的应力，但加热带边缘会产生新的热处理应力，且局部热时效实施比较困难，能耗很大。因此，需考虑其它补充、替代工艺。# l8 t& ^& A' B: \
2.2 TIG 重熔
2 S  `' l( h" C焊趾缺陷是一种焊道融合线上中难以避免的小而尖锐、连续的缺陷，往往成为结构疲劳破坏的裂纹源。常采用TIG 重熔工艺对焊趾进行修整，重建裂纹起裂前的状态，降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象，以延长了疲劳寿命。同时TIG 重熔也能改善焊缝区的横向残余应力；上海宝冶工程技术公司进行重型门式起重机大梁维修，对其拘束模拟焊接试板焊缝TIG 重熔前后的残余应力，通过X& j3 o' E  _9 N  A( v射线方法进行测量，测定结果见表3。

由此可见：TIG重熔对于焊缝的纵向残余应力改善不明显，残余应力绝对值下降不大；但对于纵向残余应力的均匀分布有一定效果。但对横向残余应力有明显的改善效果，残余应力绝对值下降明显而且分布趋于均匀。考虑到建筑钢结构的载荷特点以及生产效率的要求，TIG重熔可在横向拘束应力大的焊道上，作为缓和横向残余应力、降低应力集中的辅助工艺。4 o5 f/ u) A% p. G/ O. }
表3重熔前后残余应力均值对比（材料：Q345；单位Mpa）9 ?& h3 H( y) n$ g6 ^, i
纵向应力 横向应力编号 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 典型焊接构件振动时效的效果
; P& t0 Q* _2 c2.3
9 R: `% S: b2 H$ f. N振动时效（VSR）
    1 |2 d1 l' t9 [振动时效是对构件施加交变应力，与构件上的残余应力叠加达到材料的屈服应力，发生局部的宏观和微观塑性变形；这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处和构件的应力集中点，使这里的残余应力得以释放，达到降低和均化残余应力的作用。应用振动时效技术在我国已达25年，相继出台三个技术标准[1]，也已纳入我国建筑钢结构施工规范，技术成熟。由于振动时效经济性好、方法简单、工艺快捷、效果显著、适用面广，且不受构件的大小、重量以及场地的限制，7 {$ \; F+ D) M: F: {已广泛应用于机床、起重运输、冶金、化工等制造业，也渗入到核工业（核反应堆内构件、核聚变设备）、磁悬浮交通、宇航等高尖领域。几个典型焊接构件振
% Y8 l* I7 y( B1 |* ]9 K' O动时效的效果分析见表4。* t; w( `3 P  p3 v; B" V, \  X表4 典例皆应用功率不大于2KW的振动时效设备，对一个构件的处理时间一般为20－45分钟，结果表明：振动时效的消应力效果为20－50％；尽管振动时效不具备去氢和恢复塑性的功能，但从尺寸稳定性比较，已达到和超过热时效的水平，振动时效是一种以消应力、提高尺寸稳定性为目标的替代热时效的先进工艺。尽管目前振动时效在建筑钢结构应用尚少，$ j7 q4 s% i% c5 q5 `% V- r+ E但根据建筑钢结构的载荷特点与施工要求，振动时效有可能成为今后建筑钢结构消应力的主流工艺之一。
8 L0 n! x7 N0 p* Y0 t: p2.42 X: Q2 B. x) G) o; v0 j, ^* `8 k
振动焊接（VW or VCW）+ E" v, B/ m5 ]- b
    振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动，是目前国内外正在研发的新技术；在振动时效标准的附录中，已确认为可与振动时效组合的工艺之一[1]。其不改变原有的焊接工艺；在焊接过程，通过一个几百瓦的小激振器对构件注入频率和振幅可控的振动，即形成振动焊接。这种限幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用：  d& d3 H6 P3 }' x+ a1 P
⑴当焊缝金属在熔融状态下，由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。

工程 材料尺寸mm/ 重量ton消应力效％
. m* c) q% t* p  u$ k  ^200 吨级行车大梁 Q235 29000*3200*2000 13-22
) S: {/ i7 n- w* ]9 J4000 吨级锻机上横梁 Q235 130 吨 29
" T6 F- M/ A% `  \9 b$ V4 }: s港口起重机卷筒体 Q345 D1400*13800δ50 30－568 M6 i2 L; R8 H& Z0 L8 f
核聚变试验装置底板 304L D7800 δ90 31
& c- j: N+ G- ^7 o6 U/ ^9 s300MW 火电机架 20G D2900*3400 22-49- \+ t  l; \1 v; |; R6 V
磁悬浮交通功能件 16Mn+软磁钢 3000*500*450 31, j/ o8 ]7 r/ Y* j& q+ e$ J/ Y
        ⑵在结晶过程振动可细化晶粒，使焊缝的力学性能得到提高。
        ⑶温度大于600℃的区域，材料在强度逐步恢复的冷却过程中，伴随振动的热塑性变形，使逐步形成的焊接残余应力得到降低和均化，可减少焊接变形及焊接裂纹的形成。
        表5 是对BB503 厚板(90mm)电渣焊采用振动焊接的应力测量结果。BB503 材料的屈服强度为295－315Mpa，试验表明：采用振动焊接（VW）或复合振动焊接（VSR+VW）可明显降低残余应力水平，且接头性能优化，如：侧弯合格率也由原25％上升为75-100％。对Q235材料焊接的H型轻钢（H900X200X6/8，长6m）的试验表明，振动焊接可使焊接变形下降21-32％。0 G: r9 D4 W7 Q

表5 BB503 厚板振动焊接的残余应力测量结果) C' [2 t4 U' V2 I
                    工艺                   最大主应力     最小主应力     纵向应力      横向应力1 W, w5 T1 v/ S! q) M
                 0.6gVW                  极值  209           -92                  206                85
                                             平均值 117            -16                  109                 -8
        3gVW＋0.6gVSR          极值  81            -121                    64                24
                                             平均值 37               -47                    28               -39% n  v7 y+ g1 `  i
        国内外的研究和实验都表明，振动焊接工艺经济、简便、高效，特别是可以在大型焊接钢结构上实施，振动焊接在降低焊缝残余应力、减少工件变形、提高结构疲劳寿命、提高接头力学性能，即全面提高焊缝质量方面有显著作用。基于振动焊接的优点，在我国重大工程中，对一些采用热时效工艺有困难的结构，已开始试验振动焊接工艺，包括核聚变试验装置、大厚壁高炉炉体、大直径阀体等。若能加强振动焊接在建筑钢结构上的应用试验和技术标准的建设，振动焊接很可能成为补充、替代传统热时效的又一重要工艺。! ~+ g! r1 X* m% g0 R+ `/ M& f

2.5 超声冲击与锤击C4 L/ X0 s9 F
         超声冲击消应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消应力工艺的特点是：在超声（≥16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；试验表明：
         ⑴超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲击的表面会形成压应力，对2～4mm 深度层消应力效果可达34～55％。
         ⑵采用焊趾冲击法，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19％，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。
        (3)由于冲击工艺处理的特点，仅可以用于冲击工具可达的外表面，其工作效率约为1200mm2/min。冲击工艺是以点接触、压应力屈服为主要特征的“面效应”型消应力工艺，伴随一定的振动时效效果，比较适合高拘束状态短焊缝的局部处理。如局部的焊接修复、大构件的组配焊接以及在厚壁结构上焊小构件，其焊缝处承受较大的拘束应力，且焊后易产生延迟冷裂纹等情况。可作为其它消应力工艺的补充工艺。应用人工或气动的锤击消应力工艺，通过敲击振动及表面压应力屈服实现消应力效果。该工艺已进入美国钢结构焊接规范，我国也成功应用于大型转炉的焊接和大型水轮机异重金属焊接的消应力处理。由于锤击工艺难以规范，对周边干扰大，劳动强度高，往往作为补充、应急工艺。

2.6 爆炸法工艺A/ i  A" N8 c) G
        将特种专用炸药沿焊缝走向粘贴在焊缝附近。炸药引爆后产生连续的冲击波迫使结构的峰值应力区域发生塑性变形，以此达到消应力的目的。据报道消除厚度可达70mm，效果可达60％，瞬间完成，适合大型和特大型结构，在水利涵管方面应用较多。爆炸法消应力施工时十分强调安全措施，故在城市建筑中应用有一定困难。

参考文献：

1、《工程力学》 作者：王彪 出版社：中国科学技术大学出版社

2、《设计中的应力集中系数》 作者：R.E.彼德逊
出版社 ：中国工业出版社    出版时间：1965年05月北京第1版

3、《残余应力的产生和对策》 作者：米谷茂   出版社：机械工业出版社  

出版时间：1983-04

4、《建筑钢结构进展》 作者：澳门大学土木及环境工程系 中国澳门(郭伟明);香港理工大学土木及结构工程系 中国香港(滕锦光;钟国辉)  出版时间：2007-03

5、王威,王社良,苏三庆,徐金兰;《钢铁材料结构构件工作应力的检测方法及特点[J]》;《钢结构》;2004年05期

6、陈会丽;爆炸焊接复合板界面残余应力的研究[D];昆明理工大学;2005年

7、李荣锋,谭伯聪,李立军,邱保文;爆炸法消除100t转炉炉壳中腰环缝的焊接残余应力[J];冶金设备;2000年01期

8、李荣锋;戴树和;沈士明;吴国运;;爆炸预处理提高WD钢模拟CGHAZ韧性的研究[A];2001中国钢铁年会论文集（下卷）[C];2001年