残余应力基础理论及应用|锤击作用原理与焊缝抗裂能力

锤击处理是指使用锤头轻击焊缝及周围区域，用高速的粒子直接冲击工件表面的工艺处理方式（亦称为喷丸处理）。锤击可以降低残余拉应力，也可以在锤击表面诱导出残余压应力，这是该处理方法主要有益的特点［10］。此方法有70多年的历史，但至今由于它的操作规程主要是建立在经验和约定的基础上，缺乏科学依据，而且具有较低的质量控制程度，因而影响了锤击的推广作用。

5.2.1.1　锤击作用原理

根据金属学理论，焊缝的一次结晶组织具有明显的方向性，形成的柱状晶呈束状排列，降低了焊缝的抗裂能力。焊接之后，锤击处理焊缝：一方面，受到锤击作用，处于高温结晶的晶粒互相挤压，促使焊缝在凝固过程中产生的新缺陷如缩松、微气孔等被压实，提高了焊缝的致密性，从而降低了应力集中程度；另一方面，锤击作用促进了晶界的滑移，位错密度不断增大、拉长并发生缠结，增强了位错运动的阻力。与此同时，焊缝中位错聚集，有局部区域甚至形成了亚晶界，提升了焊缝的变形能力。此外，在锤击应力的作用下，焊缝内部晶粒的结晶方向被打乱，形成了性能更优的等轴晶，增加了焊缝的抗变形能力，从而达到了防止焊缝内裂纹产生的目的［11］。

从力学角度出发，锤击作用造成焊缝内部的局部区域产生了一定量级的塑性伸长，释放了焊接过程中产生的残余拉伸弹性应变，从而减小了焊缝的变形量，焊接残余应力由此被释放。从理论上来说，当锤击力产生的塑性变形的应变量等于焊接过程中工件内部产生的残余拉伸弹性应变的时候，能够完全消除残余应力。假设锤击作用产生的塑性变形应变量大于原工件内部由焊接造成的残余拉伸弹性应变，在焊接残余应力被完全消除的同时，局部区域在锤击作用下还会产生一定量的残余压应力，这对工程应用是有利的。

5.2.1.2　锤击方式

目前，用于实现残余应力调控与消除的锤击方式主要有以下几种：

（1）手动方式。结构简单，操作方便，但劳动强度大、锤击效率低，同时还要受到工作人员的知识和技术限制，且可重复操作性较差，在生产应用中受到很大限制。

（2）气动方式。设备简单，结构紧凑，产生的锤击力较大，依靠压缩气体作为动力，实现锤击。此法增加了锤击设备的制造和运行成本，且锤击力和频率的调节不易控制。

（3）机械方式。该方式的锤击设备结构简单，但是体积较大，安装在焊枪后部需要较大的空间，不利于紧凑安装设备，操作不便。

（4）电动方式。电动锤击工具的频率可调性好，但锤击力和锤击频率没有实现单独调节，锤击频率过高，容易造成硬脆金属材料在锤击过程中出现疲劳破坏；同时设备较庞大，价格较贵。

（5）电磁方式。新型的锤击消除应力的处理工具，可以实现锤击力和锤击频率的独立调节，适用于多种金属材料的消除应力处理。(www.xing528.com)

5.2.1.3　锤击作用的影响

图5-7所示内容为有锤击作用（锤击力F＝500 N，锤击作用温度区间为360～840℃，锤击频率为2 Hz）和无锤击作用焊接接头的工件表面残余应力分布梯形图。从图中可以看出，锤击作用的效果是非常明显的。图5-7中曲线1是未进行锤击处理的曲线，可以看出焊接后热影响区域的应力呈现出较大的残余拉应力，并且在距离焊缝中心约20 mm的位置，拉伸残余应力达到峰值，最大值超出了母材的抗拉强度600 MPa，因而不可避免地会有焊接裂纹的产生。但是经过锤击处理后，见图5-7中的曲线2，焊接残余应力在焊缝处呈现出较大的残余压应力，热影响区中靠近熔合区域的一侧也表现为压应力，虽然在母材侧仍表现为残余拉应力，但是其值已远远不足以导致材料开裂。

图5-7　有锤击作用与无锤击作用焊接接头的表面残余应力分布［11］

1—无锤击作用；2—有锤击作用

同时锤击作用力的大小和时机也会对消除焊接残余应力造成影响。图5-8所示是在不同锤击力F作用下工件表面残余应力分布图。对于相同的锤击温度区间，随着锤击力的增加，焊缝区域的残余应力也会得到进一步释放，但是熔合线以及焊缝热影响区域中应力的释放先归于焊缝中心，效果并不显著。换而言之，锤击消除焊接应力，并非是锤击的程度越大效果越好，锤击对于将来热影响区的残余应力是有限的。在工程实践中，焊缝过分延展而超过了其塑性允许限度，反而会产生因锤击而造成的裂纹。

图5-8　不同锤击力F作用下表面残余应力分布［11］

1—F＝400.0 N；2—F＝500.0 N；3—F＝700.0 N；4—F＝900.0 N

图5-9　不同锤击温度区间锤击时上表面残余应力分布图［11］

1—600～1 000℃；2—300～650℃；3—360～840℃

此外，锤击的时机对于调控和消除焊接残余应力的效果影响也很大。在不同的温度区间进行锤击处理时，锤击作用的效果不同，如图5-9所示。在高温区间和低温区间分别进行锤击，残余应力调控的效果并不是最理想，而在相对中间的中温区间进行锤击时，如图中曲线3所示，残余拉应力被有效释放。这个情况说明了锤击必须在焊缝恢复至弹性的温度下进行，此时焊缝处的塑性高，锤击得到的效果好。若是在低温区间进行锤击，大部分的传递能量不能被很好地吸收，不仅不能达到预期的锤击效果，同时可能会在焊缝处产生机械破坏的负面作用；若是在高温区间进行锤击，此时的焊缝依旧处于塑性状态，锤击能量的吸收效果依旧不佳，最终达到的锤击作用效果不理想。