5.2.2 锤击
1.原理[8]
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。焊后对焊缝进行锤击处理：一方面，锤击作用使处于高温结晶的晶粒相互挤压，促使焊缝在凝固过程产生的缩松、微气孔被压实，增加了焊缝的致密性，从而降低了应力集中的程度；另一方面，锤击作用促使晶界的滑移，位错密度增大、拉长并发生缠结，增加位错运动的阻力。同时焊缝中的位错聚集，甚至形成亚晶界，增大了焊缝的变形能力。此外，在锤击力的作用下，焊缝晶粒的结晶方向被打乱，形成性能较好的等轴晶，增加了焊缝的变形能力，从而达到防止焊接裂纹产生的目的。
从力学角度分析，锤击作用使焊缝在体内的局部产生一定的塑性伸长，释放了焊接过程中产生的残余拉伸弹性应变，减小焊缝变形量，从而释放焊接残余应力。从理论上讲，当锤击力产生的塑性应变量等于焊接过程中金属内部产生的残余拉伸弹性应变时，残余应力则能够被完全消除。如果锤击作用产生的塑性应变量大于焊接过程中金属内部产生的残余拉伸弹性应变，不仅焊接残余应力被完全消除，而且在锤击区域还可以产生一定的压应力。
2.锤击作用的影响
图5-3所示为有锤击作用（锤击力F=500N，锤击作用温度区间为360～840℃，锤击频率为2Hz）和无锤击作用的焊接接头的表面残余应力分布。由该图可以看出，锤击作用的效果是非常明显的。在未进行锤击处理时（图5-3中曲线1），焊后热影响区的应力呈现出残余拉应力，并且在距离焊缝中心约20mm处，残余拉应力达到最大，其值已超过母材的抗拉强度（600MPa），因此会不可避免地产生焊接裂纹；但经过锤击后（图5-3中曲线2），焊接残余应力在焊缝处呈现出较大的压应力，在热影响区中靠近熔合区的一侧也表现为压应力，虽然在母材侧仍表现为拉应力，但已不足于导致开裂的发生。
3.锤击作用力大小及时机对消除焊接残余应力的影响
不同锤击力F作用下表面残余应力分布如图5-4所示。对于相同的锤击温度区间，随着锤击力的增大，焊缝处的残余应力会进一步得到释放，但熔合线及焊缝热影响区中应力的释放不如焊缝中心显著。也就是说，锤击消除焊接应力，并不是锤击程度越大越好，锤击对降低热影响区的残余应力是有限的。实际上，焊缝过分延展超过其塑性允许限度反而会产生因锤击而造成的裂纹。
锤击时机对锤击消除焊接残余应力的影响也很大，在不同温度区间进行锤击时，锤击作用的效果不同（见图5-5）。在高温区间和低温区间进行锤击时，残余应力的释放效果不佳，而在中温区间进行锤击可以有效地释放残余应力。这说明了锤击必须在焊缝恢复弹性的温度下进行，此时焊缝塑性高，锤击效果好。如果在低温区间进行锤击，大部分锤击能量不能被吸收，锤击效果不仅不好，而且可能对焊缝产生机械破坏作用；如果在高温区间进行锤击，此时焊缝仍处于塑性状态，锤击能量也不能很好地被吸收，因此锤击作用效果差。
图5-3 有锤击作用与无锤击作用的焊接接头的表面残余应力分布[8]
a）径向残余应力σr b）周向残余应力σθ
1—无锤击作用 2—有锤击作用
图5-4 不同锤击力F作用下表面残余应力分布[8]
a）径向残余应力σr b）周向残余应力σθ(https://www.daowen.com)
1—F=400.0N 2—F=500.0N 3—F=700.0N 4—F=900.0N
4.锤头大小对消除焊接残余应力的影响
锤击用的球形锤头存在一个最佳尺寸（直径约为8mm）。在一定的风压下，最佳尺寸的锤头具有最大的比效能（即锤击时用于消除残余应力的能量和总锤击能之比）。采用最佳尺寸的锤头可最大限度地限制锤击表面无效塑性形变的产生，从而避免不必要的力学性能下降[7]。
图5-5 不同锤击温度区间锤击时上表面残余应力的分布[8]
a）径向残余应力σr b）周向残余应力σθ
1—600～1000℃ 2—300～650℃ 3—360～840℃
5.应用实例
对500mm×400mm×30mmQ345（16MnR）钢焊接板件锤击处理后的残余应力实测结果如图5-6所示。其中坡口为X形，多层焊，沿板件厚度方向（z向）存在双轴残余应力σx和σy，且它们大小不同。图5-6a为焊后状态，图5-6b为仅锤击最后一层焊缝区和熔合线附近，图5-6c为施焊过程中逐层锤击、焊后同时锤击焊缝和熔合线附近。在试验中，表面层残余应力采用小孔法测量，并用全释放法测量板件厚度不同深度上的残余应力分布；锤击工具为带有直径为8mm球形头的风铲（工作风压为0.49MPa，冲击频率为86Hz）。
对比图5-6a、b、c可以看出，逐层锤击后，中厚板件内部的残余应力可以得到较好的调整，纵向残余应力σx最大值小于200MPa，在焊缝表面和一定深度2～3mm范围内形成双向压应力层。
图5-6 500mm×400mm×30mmQ235钢焊接板件锤击处理后的残余应力实测结果[7]
a）焊后状态 b）只锤击最后一层焊缝 c）逐层锤击
