残余应力消除与测量在船舶制造中的应用分析

肖健 张伟祥 李志辉 路庆浩

摘 要：通过介绍结构中残余应力存在的危害，梳理目前船舶制造过程中主要采用的残余应力消除与测量方法，从各方法的基本原理出发，介绍每种方法的优缺点，适用范围以及对测量环境的要求，为工程技术人员在选择残余应力消除与测量方法时提供参考借鉴。

关键词：焊接;残余应力;消除;测量

中图分类号：U66             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）08-0078-03

随着船舶用途多功能化，船舶制造智能化、自动化技术的发展，现代化造船技术日新月异，焊接方法从原来的焊条电弧焊、气体保护焊等以人为主的作业方式逐步发展成自动化、机械化的埋弧自动焊、激光焊，甚至是智能机器人焊接技术的广泛应用。但是，由于焊接过程是点热源加热的方式，引起材料受热不均匀，在冷却后结构件内部会产生不同程度的残余应力是无法避免的。焊接残余应力对结构静载强度、疲劳强度、刚度及对结构加工精度和尺寸稳定性都会产生影响。在很多因结构失效或者断裂的事例中，研究发现都是因为有害残余应力的存在，使得焊接接头区域产生裂纹，而裂纹在使用中逐步扩散直至断裂造成的。另外，焊接结构内的残余应力具有不稳定性，会随着时间的推移、温度的改变而发生变化，残余应力的变化导致结构外形尺寸、开孔尺寸、结构对称度等与设备配合的关键尺寸发生变化，进而引起零部件的磨损甚至是设备功能丧失。因此，在船舶制造过程中，通过合理的工艺措施，采用适宜的残余应力消除与测量方法，对焊接结构进行残余应力控制和消除。

1 残余应力的消除方法

1.1锤击法

锤击法是用工具锤击焊缝，使焊缝产生塑性变形，用以抵消焊缝在冷却过程中一部分的收缩量，这样就可以起到降低焊缝内部残余应力的效果。作为目前在船舶制造过程中最为常用的一种工艺措施，适用于船舶制造的各个组立阶段，有着施工方便，工具简单的特点。采用锤击法的时段非常重要，有多项研究表明，在焊缝热态时对焊缝进行锤击，焊缝纵向和横向的平均残余应力、最大残余应力值都明显低于焊缝冷却至环境温度后再进行锤击的结果，主要是因为焊缝在热态时具有良好的塑性，变形阻力相对较小，有利于焊缝残余应力的释放，因此锤击法应在焊缝还未完全冷却，保持较好塑性的热态时进行，并且锤击时保持力度适中、锤击点均匀，以防止因不当锤击产生裂纹。

1.2热时效法（TSR）

热时效法消除残余应力是将金属构件整体或局部以一定的速率加热到再结晶温度以上并保温一段时间，改变构件内部应力分布状态，从而达到消除或降低残余应力的目的。热时效法在应用时工艺要求比较苛刻，如退火温度的设定，保温时间，升温及降温速度等，都会影响残余应力的消除效果。温度控制得当，残余应力的消除效果能达到50%—70%，温度控制不当可能会损伤构件、导致构件变形等。依据材料属性的不同，采用的热处理工艺也有很大差别。

热时效法在船舶制造领域有一定的局限性，由于船厂没有热处理炉，需将加工后的结构件重新送回钢厂，由钢厂进行热处理，使结构件恢复性能，目前主要用于铸锻件焊后热处理、经冷热加工后力学性能和机械性能有明显下降的调质高强度钢。尽管该方法存在局限性，运输成本和制造周期增加，但是也是目前必不可少的消除残余应力，保证产品质量的方法。

1.3振動消除应力法（VSR）

振动消除应力法又称振动时效，在国外的应用已极其普遍，我国从20世纪70年代开始采用。其基本原理是通过偏心轮和变速马达组成的激振器，使结构产生共振，利用共振产生循环应力，当循环应力与残余应力叠加超过材料的屈服极限时，构件内部会发生塑性变形，进而达到减轻、均化构件内部残余应力的目的。振动消除应力法有两种方式，一种将构件固定在振动平台上，一种是将激振器直接固定在结构件上。前者适用于尺寸规格不大，可批量处理的小组立或中组立结构件，后者适用于分段或总段等大型尺寸构件的焊接残余应力的消除。

目前，我国振动消除应力法的应用已相当成熟，制造的振动时效装置有BN-1神舟系列频谱振动时效系统、VAⅡ智能超级时效系统、ZS20087超级全自动振动时效装置、ZS95经济型振动时效装置等。这些装置可实现频率调节、动态跟踪、数据生成等功能，满足船舶制造的需求。与传统热时效相比，消除效果相当，能达到50%左右，满足节能减排的要求，具有能耗极低，投资少费用低，易于实现机器自动化的特点。同时，该方法的生产效率高，一般维持共振状态约20-30分钟就能实现降低均化残余应力，使结构件得到强化，尺寸精度达到稳定的目的。

2 残余应力的测量方法

在船舶制造的实际生产工作中，我们除了采用上述的残余应力消除方法，还会制定合理的工艺控制措施，如合理的装焊顺序、采用热输入量较小的焊接工艺参数等等，目的就是尽可能地降低构件内部残余应力。但是对于有高精度要求的设备或武备装置，对船体结构时效稳定性提出了更高的要求，除了采用降低或消除结构焊缝内部残余应力的措施，还需要检测结构内部残余应力实际大小，判定是否有效降低了残余应力，是否能够保证良好的船体结构时效稳定性，避免出现时效变形的情况发生，这时就需要对残余应力大小进行测量和评估。测量残余应力的方法一般分为有损测量和无损测量两种，目前船舶制造中经常使用的方法有：盲孔法、X射线衍射法、超声波法。

2.1盲孔法

盲孔法测量残余应力是一种有损测量方法，其原理是通过破坏构件原本存在的应力平衡状态，利用精度较高的应变计或应变花测量出平衡破坏后产生的释放应变，而释放应变只与材料钻孔范围内的初始应力状态有关，利用线弹性理论公式进而求得残余应力。

盲孔法的应力测量系统设计较为完善，计算过程也可由电脑完成，方便现场测量人员的使用，在船舶制造中的应用已非常成熟，尤其是可以满足船体狭小空间处体结构的应力测量。根据被测量结构的厚度尺寸大小，在CB/T3395-2013《残余应力测试方法 钻孔应变释放法》中都有明确的测量程序要求，本文不再赘述。需要注意的是盲孔法测量破坏区域周边的表面残余应力，需要多选择几个位置测量才能得到构件整体残余应力情况。合适的测量位置可以先利用热-力耦合有限元法模拟预测船体结构焊接变形以及焊接残余应力的大小分布，根据模拟结果进行选取。

盲孔法虽然称为有损测量，但是对构件造成的破坏较小，根据不同的盲孔大小和深度，测量后仅需适当的补焊修复或者仅需打磨光顺即可。

2.2X射线衍射法

X射线衍射法是一种无损测量方法，其原理是根据弹性力学和X射线晶体学理论，理想晶体在不受应力的状态下，晶体同一族的晶面间距是相等的，而受到内部残余应力的作用，其晶面间距会发生变化，并且这种变化与内部残余应力的大小有关。根据这一特性，可以从X射线衍射谱线位移的大小计算出残余应力的大小。

X射线法经过长时间的研究和完善，现主要发展出X射线照相技术、X射线衍射仪法和X射线应力仪法。其中X射线照相技术测量大構件时误差较大，而工业X射线衍射仪对环境要求较高，要求环境温度在15℃-25℃间，高分辨率仪器的环境温度要求22℃±1℃且温度变化小于1℃/30分钟，还要求保证仪器整洁避免灰尘聚集影响设备运行，船舶生产车间难以满足这种环境要求。X射线应力仪是更加简化和实用的X射线衍射装置能够适应现场的生产环境，大小构件均能测量，且方法完善，原理成熟，结果精确，十分可靠和实用。同时配合运用云图技术还可以清晰直观地展现测量区域的应力分布情况，工程技术人员在使用中非常方便。

另外X射线衍射法在船舶制造中还广泛应用于测定钢中残余奥氏体含量、探伤和测厚功能。在采用X射线衍射法测量时，操作人员应严格遵守操作规范，否则会对人体造成十分严重的危害。

2.3超声波法

超声波法是一种无损测量方法，其基本原理是根据声弹性理论，材料中有无残余应力，超声波的传播速度不同，并且传播速度的大小与应力的大小呈线性变化，可以测量出无应力情况下相同材料的传播速度和实际工程中的传播速度，通过一系列分析，可获得实际工程中残余应力的数值。超声波测量方法大致分为两种，一是采用横波测量，二是采用纵波或表面波测量，由于第二种方法可以测出构件内部和表面的应力，因此，大多采用第二种方法。

超声波法可用在船舶建造的各个阶段，这种方法既没有盲孔法对结构件的损伤，也不存在X射线衍射法对人体健康的危害，其具有穿透能力强、方向性好、仪器方便携带、结果直观、成本低等优点。

3 结束语

（1）船舶制造过程中，除了采用上述残余应力消除与测量方法，还会采用很多设计和工艺措施避免或降低残余应力的大小，如尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸、避免焊缝集中，焊缝间保持足够的距离、采用合理的焊接顺序、降低焊缝的拘束度、对于高强度钢，采用焊前预热，焊后保温缓冷等方式。

（2）传统的自然时效消除残余应力方法简单，自然放置构件，任其自由的发生缓慢变形释放构件中的残余应力。但是该方法需要自然放置较长的时间，工艺周期太长，已不满足当前船舶制造周期紧的要求，同时占用了场地，也影响到生产资金的流动性，综合来说该方法成本并不低。

（3）除了本文阐述的残余应力消除测量方法，还有很多能够消除、测量焊接接头处残余应力的新兴技术，如高压水射流法、爆炸法、温差形变法、激光超声检测法，需要我们工程技术人员开拓思路，勇于创新，将新技术应用于船舶制造领域。

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