参考文献
第5章 残余应力的调控与消除
残余应力的调控与消除方法主要有热处理法、机械法、爆炸法和超声波冲击法等。热处理法（通常采用退火）是在一定的温度下进行长时间的保温，因而操作费用较高，但能完全消除应力；另外，钢在600℃以上退火时，存在脱碳、表面氧化和零件软化等缺点。机械法是靠施加静的或动的应力，使残余应力减小或再分布的。爆炸法利用金属在爆炸高压下呈现出类似流体的规律，使金属发生塑性变形，从而使残余应力得到调控与消除。超声波冲击法采用超声波，以巨大的能量带动冲击头冲击金属物体表面，从而使残余应力得到调控与消除。
5.1 热处理法
5.1.1 热处理法的原理
热处理法（通常采用退火）是把结构整体或焊缝区局部，按一定的升温速度加热到钢的相变点Ac1以下适当温度（称为退火温度），保温一段时间以后，然后按一定的速度降温[1]。由于钢材的屈服强度随着温度的升高而降低，因此，使钢材与焊缝金属在退火温度时的屈服强度低于残余应力值，残余应力被局部塑性变形所平衡从而减小。同时，材料在该温度下产生蠕变，经过一段时间，残余应力被逐渐释放。
焊后热处理是当前焊后消除残余应力的主要方法之一。焊后热处理是一个复杂的过程，在热处理过程中可能发生一些现象，其中残余应力松弛、使焊接接头组织和结构力学性能发生相应变化、减小扩散氢含量、消除应变时效脆化是有利的，而产生变形、高温应变脆化、残留合金元素等是不利的[2]。
5.1.2 热处理工艺参数的确定
热处理法消除残余应力的效果主要取决于热处理温度曲线和工艺措施，具体包括升温速度、退火温度、保温时间、降温速度等，以及加热、保温、冷却时的各点温差和分段热处理时的搭接长度等。在焊缝局部热处理中，加热宽度和保温宽度非常重要，这是因为足够的加热宽度和保温宽度能够保障加热区和非加热区的温度平缓过渡，避免因剧烈的温度梯度而产生次生残余应力。所有的技术措施必须保证按工艺曲线实施[1]。
一般来说，对于同种材料，热处理的温度越高，保温时间越长，应力也就消除得越彻底。热强性好的材料消除应力所需要的温度比热强性差的要高；在同样的温度和时间下，单轴拉应力的消除比双轴、三轴的效果要好。内应力的消除与许多因素有关，热处理退火温度主要取决于钢种。对于碳素钢，退火温度为550～625℃。保温时间主要取决于厚度，厚度越大，保温时间越长。厚度在25mm以下时，保温时间不少于1h；大于25mm时，厚度每增加1mm，保温时间需延长3min。为了达到理想的热处理效果，即残余应力消除得更加彻底，必须严格控制各点的温度差异，特别是保温和降温阶段的温差。这是降低残余应力的关键技术措施。
5.1.3 应用实例
大型防护门的门轴柱、斜接柱结构复杂，板厚变化也大，焊接接头多，焊缝长。通过焊后热处理，该结构的焊接残余应力能够得到充分释放，取得了良好的效果。其焊后热处理工艺过程如下[3]：
1）加热、保温温度：采用防止变形的下限温度（550±10）℃。
2）加热速度v1（℃/h）：v1≤200×25/δmax，其中，δmax为最大板厚（mm）。
3）保温时间：以构件钢板（或焊缝）的最大厚度计算，按2～2.5min/mm计算保温时间。
4）进炉温度：为减少在加热过程中炉温与构件之间过大的温度差，应以低温进炉，进炉炉温≤300℃。
5）冷却速度v2：v2≤260℃/h，到300℃以下出炉空冷。
对门轴柱、斜接柱进行焊后热处理后，整个结构有如下特点：
1）在1.96mm深处的平均应力能够较全面地反映整个焊件的宏观残余应力水平。
2）通过对热处理前后的残余应力值进行比较发现，经过热处理以后，残余应力的最大值低于1/3屈服强度。材料的应力越高，残余应力峰值下降越明显，降低幅度平均为70%。材料的应力越低，残余应力峰值降低越小，但整体残余应力水平下降很多。
3）残余应力分布均匀化。
4）热处理前后的硬度基本上无变化。
5.2 机械法
5.2.1 振动时效
1.原理
振动时效（Vibration Stress Relief，简称VSR）的实质是以机械振动的形式对工件施加应力，当附加应力与残余应力叠加的总应力达到或超过某一数值之后，在应力集中的地方就会因为应力超过金属材料的屈服强度而发生微观和宏观的塑性变形，从而释放应力。这种塑性变形降低了该处残余应力的峰值，并强化了金属基体。随后，振动又会在一些应力集中较严重的部位上产生同样的作用，直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止。此时，振动便不再产生消除和均匀化残余应力及强化金属的作用[4]。
2.工艺参数的选择
在振动时效中，工艺参数的选择是决定时效效果的重要方面，主要从以下几个方面考虑[5，6]：
（1）支撑点的选择 构件必须用弹性垫支撑起来，支撑点最好选择在构件振动的波谷处，可以通过在构件上抛沙子，沙子聚集处为支撑点。选择波谷处作为支撑点可以减小能量，获得较大的振幅。
（2）激励点的选择 激励点应选择在工件振动的波峰处，这样激振器即可以最小能量激发工件产生较大振动，有利于提高时效的效率。
（3）加速度传感器的安装位置 加速度传感器应安放在共振的波峰处。
（4）振动时效频率的确定 振动时效频率的选择原则是以较小的能耗产生较大的振幅，即共振情况要好。振动时效频率的选择与工件本身的形状、重量、材质和刚度等因素有关。振动时效设备可以在一定的频率范围内通过扫频测出数个共振频率，一般在亚共振区内选择主振峰峰值的1/3～2/3所对应的频率为主振频率。这样不仅不会对工件造成疲劳损伤，相反还会提高工件的疲劳寿命。
（5）激振力的确定 激振力是以工件上施加的最大动应力来确定的，而动应力是消除残余应力的必要条件，只有当最大动应力与最大残余应力之和大于工件的材料屈服强度时，残余应力才能得以释放。因此，动应力是振动时效工艺的一项最主要的参数。从消除残余应力的角度讲，在一定范围内动应力越大，工件上产生的应力释放量也越大，消除应力的效果也就越好，但动应力过大将有可能造成工件损伤或降低疲劳寿命。动应力σd可按如下经验公式确定：
σd=（1/3～2/3）σw （5-1）
式中，σw为工作应力，是在设计过程中已经确定的，或用应变测试技术获得的工件工作状态下的最大应力。
（6）时效时间的确定 根据经验，时效时间一般按“稳幅工艺”来确定，即构件振动幅度趋于稳定（3～5）min后就可以停止时效处理。在工程实际中，也可以根据金属工件的结构、材质、重量等来确定激振时间。一般均以工件的重量来确定振动时间。
3.特点
（1）投资小 与热时效相比，它不需要庞大的时效炉，可以节省占地面积与昂贵的设备投资。
（2）生产周期短 自然时效需要经过几个月的长期放置，热时效也需要经过几十小时的周期才能完成，而振动时效一般只需要振动几十分钟即可完成。而且，振动时效不受场地的限制，可以减少工件在时效前后的往返运输。
（3）尺寸稳定性提高 振动时效处理的工件尺寸稳定性优于燃煤、燃油、燃气及电炉的热时效处理。振动时效不仅克服了热时效炉温不均而造成的应力消除不均匀的难题，而且避免了工件因加热而降低其抗变形能力的影响。因此，振动时效处理的工件比热时效处理的工件在尺寸稳定性上提高了30%以上。
（4）力学性能显著提高 经过振动时效处理的工件，其残余应力可被消除35%～80%，高应力区消除的比例比低应力区大。因此，振动时效可以提高工件的使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀，防止或减少由于热处理、焊接等工艺过程造成微观裂纹的发生，并且可以提高力学性能。
（5）适应性强 由于振动时效设备体积小，重量轻，易于搬动，因此可以在任何场地上进行现场处理。振动时效不受工件大小、形状、重量的限制，从几千克到数百吨的工件均可应用。尤其是对于一些大型构件无法使用热时效处理时，振动时效消除残余应力就更加具有突出的优越性。振动时效消除残余应力不会使构件表面产生发黑等现象，对不锈钢及其他有表面质量要求的工件有独到的长处。
（6）节省能源 振动时效耗能极小，功率为0.184～0.735kW，可振动150t以下的工件。能源消耗仅为热时效的3%～5%，可节省能源90%以上。
（7）符合环保要求 振动时效无烟气、粉尘和废渣产生。
（8）操作方便 振动时效操作方便，且可避免金属工件在热时效过程中产生翘曲、氧化、脱碳，以及硬度降低等缺陷。
（9）适合各种金属材质 振动时效处理可适用于不锈钢、非铁金属工件的处理，这是热时效所不能达到的。
（10）自动化程度高 振动时效可实现自动检测、自动消除的定量目标。
4.振动时效的效果评定
振动时效效果主要是指构件时效后残余应力消除、均匀化的程度，抗变形能力的提高，以及尺寸精度的稳定性等。目前广泛使用的振动时效效果评定方法主要有：参数曲线观测法、残余应力测量法和精度稳定性检测法。
（1）参数曲线观测法 当振动参数曲线出现如图5-1所示的四种情况之一，并且振后振幅-频率曲线形貌比振前简洁而光滑时，即可判定为达到了振动时效效果。参数曲线观测法是一种直观、定性、快速的评定方法。但是，参数曲线的改变本身不能给出有关工艺效果的定量描述，因此该方法只适合进行定性的现场初步判定。
（2）残余应力测量法 通过对振动前后残余应力变化率的测量来评定振动时效的工艺效果。
图5-1 振动参数曲线[6]
a）振幅-时间（A-t）曲线上升后变平或先上后降变平 b）振幅-频率（A-f）曲线振动后峰值升高 c）振幅-频率（A-f）曲线振动后峰值点左移 d）振幅-频率（A-f）曲线振动后带宽变窄
注：图中虚线为振前参数曲线，实线为振后参数曲线。
（3）精度稳定性检测法 通过对振动时效前后工件尺寸精度的稳定化程度来检验评定振动效果。振动时效对稳定尺寸精度非常有效，在某些情况下甚至比热处理的效果还要好。振动时效和热处理后的尺寸稳定性如图5-2所示。经过振动时效后的工件的残余应力变得松弛并且变形刚度也得到提高。
图5-2 振动时效和热处理后的尺寸稳定性[7]
1—热处理 2—振动时效
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
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
5.2.3 过载处理
过载处理可以显著降低焊接残余应力，其消除残余应力机理如图5-7所示。图5-7a为原始焊接残余应力分布，图5-7b为加载时的外载荷与残余应力的叠加结果，图5-7c为卸载后的剩余残余应力分布。过载消除残余应力的效果取决于过载应力水平，当过载应力σov达到材料的屈服强度σs时，残余应力将会被完全消除，过载后剩余的残余应力为：σr=σs-σov。
图5-7 过载消除残余应力机理[7]
过载处理在压力容器上最容易实行，与整体退火处理相比，具有如下优点：
1）过载处理后的残余应力分布相对较为合理，在容器的入孔处、接管等高应力区的残余应力消除效果最好，甚至在该区可产生一定数值的残余压应力。过载处理后，剩余的残余应力均处于具有较低的工作应力区域之中。过载后的实际工作应力σG为
σG=σop+σr=σs-Ktσop（n-1） （5-2）
式中，Kt为应力集中系数；σop为工作应力；n为过载系数；σr为残余应力。
这样就可以保证过载处理后的容器在工作压力下的全部区域在弹性状态工作，且低于屈服强度。
2）过载处理可以降低容器的圆度误差、角变形和错边引起的附加应力。
3）过载处理可以有效提高容器在低温下的抗脆断能力。图5-8所示为过载对低温断裂的影响，如果在T0温度直接进行加载，根据残存缺陷尺寸大小和残余应力的数值，过载应力超过止裂线CAT的A点就会发生断裂。如果在TL温度进行过载处理，加载到B点，卸载后再于T0温度加载，破坏会在F点发生，F点应力不低于B点应力。因为过载降低了残存缺陷的危险性。
图5-8 过载对低温断裂的影响[7]
4）过载处理可以提高残存缺陷发生疲劳和应力腐蚀扩展的门槛应力值。
5）过载处理对低合金高强钢和不锈钢均不会产生明显的性能降低。
6）施工方便，价格便宜。(https://www.daowen.com)
5.3 爆炸法
5.3.1 爆炸法的原理[9]
金属在爆炸高压下呈现出类似流体的规律，中性爆炸是金属材料达到流体状态的临界爆炸条件（见图5-9）。在这种条件下，金属会在残余应力场的诱导（或者叠加作用的结果）下发生流变，从而会在压应力区产生压缩塑性变形；反之，在拉应力区产生伸长塑性变形。塑性变形越大，残余应力就会消除得越多，残余应力消失了，塑性流变也随之停止。在理想情况下，如果外加载荷足够大，中性爆炸最终形成的塑性应变量εpm，将正好等于初始存在的弹性应变量εem。
硬性爆炸是比中性爆炸强度更大的爆炸条件，巨大的冲击波压力除了使金属达到类似流体的变形之外，还可以使金属产生一定量的两度方向的平面流变c。c是爆炸参数和被爆炸处理材料性能的函数，与初始金属内部存在的残余应力无关，在固定爆炸条件和金属材料的条件下，c是一个常数，被认定为正值。因此，在硬性爆炸情况下，金属产生的总的塑性变形量εph由两部分组成：第一部分为残余应力诱导的塑性流变，是残余应力引起的弹性应变转变而来的，其值为εe；第二部分为过强的冲击波压力本身促使金属发生流变形成的塑性应变c，因而εph应满足：
εph=εe+c （5-3）
软性爆炸是比中性爆炸强度小的爆炸条件，由于不足的冲击波压力的作用，金属尚未达到流体形态，形变能力较小，当外载应力数值小于临界值时，塑性流变终止。
图5-9 残余应力诱导塑形流变机制[9]
5.3.2 爆炸法的工艺与特点
1.工艺
爆炸法消除焊接残余应力的影响因素包括炸药的性能、药条的形状与尺寸、布药方式、引爆方式和每批次引爆药量的控制等。根据国内外的实践经验，采用沿焊缝条形布药对纵向、横向残余应力的消除均有较理想的效果，对中厚板均可采用。
（1）炸药选择 采用沿焊缝条形布药方式，药条的直径必须大于炸药的临界爆炸直径dk，表5-1为几种炸药在装药密度为0.9～1.0g/cm3的薄玻璃管内爆炸时的临界直径。试验中，药条直径约为10mm。直径过大时，爆炸处理效果接近于沿焊缝均匀布药，消除残余应力效果不明显；直径过小时，爆炸能量不足，不能使焊接构件内部发生足够的塑性流变，消除残余应力的效果同样不明显。因此，爆炸消除残余应力所使用的炸药应具有良好的传爆能力、中等爆炸强度、合适的爆速范围和良好的安全性及稳定性。以钝化黑索金（由黑索金粉末与钝化剂组成的粒状混合炸药）为例，通常由黑索金和蜡等组成。采用A3炸药，其化学成分（质量分数）为黑索金91%，石蜡9%。黑索金化学分子式为C3H6N6O8，代号RDX，黑索金（晶体）和钝化黑索金的基本性能如表5-2所示。
（2）炸药布置 将炸药装入内径为8mm、外径为10mm的薄壁橡胶管内，再将装好炸药的橡胶管平行布置在焊缝上，两旁药条与中间药条中心间距约为20mm，如图5-10所示。这样装药既有利于炸药稳定传爆，且安装方便、安全，便于在工程实际中应用。
表5-1 几种炸药的临界直径[9]
表5-2 黑索金的基本性能[9]
图5-10 装药布置实物图[10]
（3）爆炸用药量及爆炸工艺安全性的研究[11] 通过对大型球罐进行试验，无论是里炸还是外炸，每次爆炸处理20～30m长的焊缝，用药量在2～4kg是安全可靠的。粗略的计算公式如下：
式中，Q为炸药量；r0为安全半径。
每次施爆的长度视空气冲击波的强度而定，具体可按超压公式进行计算：
式中，R为当量距离（m）；R为距爆炸源的距离（m）；Δp为距爆炸源R处的超压（MPa）；q为炸药的TNT当量（kg）。
2.特点
爆炸法消除应力主要有以下几个特点[13]：
1）成本低，对于大型或特大型结构件的应力消除尤其明显。
2）速度快，效率高。在构件上布置炸药迅速，爆炸过程瞬间完成。
3）效果显著，消除焊接残余应力平均能达到50%以上。
4）不受结构件大小和形状的限制。梁、柱、管线、球罐等均可方便地采用爆炸处理的方法消除焊接残余应力。目前用爆炸法所处理的最大钢板厚度为70mm。
5）不受结构件材质的限制，而不锈钢采用热处理消除残余应力很难兼顾材料的力学性能、耐晶间腐蚀性能和残余应力消除效果三者之间的关系。采用爆炸方法处理后，残余应力消除效果可达80%，耐应力腐蚀寿命可提高4倍以上，同时力学性能还有所改善。
6）应用于复合板和异种钢接头有独特的功效，这是热处理和其他方法所无法比拟的，可避免因化学成分和物理性能差异引起的成分扩散，以及产生新的残余应力。
5.3.3 爆炸法对材料性能的影响
由于残余应力的存在，严重影响了材料的各项性能，爆炸冲击波可以有效消除残余应力，同时也会影响材料的性能[11]。
1.对焊接接头力学性能的影响
通过对不锈钢的试验表明，爆炸处理后不锈钢焊接接头的硬度有所提高。爆炸处理后，无论是母材金属还是焊缝金属，屈服强度比未经爆炸处理的原始母材和焊缝分别提高了17.4%和10.7%，但对塑性和拉断强度均无明显的影响。
图5-11是爆炸处理前后材料的应力-应变曲线，在其他参数不变的条件下，屈服强度提高了50MPa，即整个应力-应变曲线包围的面积增大，静态应变能增大。
通过对Q345（16Mn）钢的试验表明，爆炸处理后抗拉强度与焊后抗拉强度相差不大，且爆炸处理后试件拉断位置均不在爆炸压痕处。在爆炸影响区内，硬度均有所提高，且由于爆炸压力硬化作用，高爆速炸药作用结果显著高于低爆速炸药作用结果。爆炸处理后，弹塑性功、撕裂功和总冲击吸收能量在焊缝中心区的变化不大，在融合线处，三者均有较为显著的提高，而在热影响区撕裂功几乎没有变化，其他两者有所提高。
图5-11 爆炸处理前后材料的应力-应变曲线[12]
2.对焊接接头抗应力腐蚀的影响
金属在拉应力和特定的腐蚀环境作用下发生的脆性断裂称为应力腐蚀裂纹。这种应力和环境共同作用导致的材料破坏比单个因素分别作用后的叠加效果还要严重得多。应力腐蚀裂纹是一种隐蔽的材料破坏形式，已成为工程中的突出问题。由于焊接接头存在焊接残余应力，很容易产生应力腐蚀裂纹。爆炸处理可以有效地消除焊接残余应力，提高结构抗应力腐蚀能力，延长其使用寿命，应作为焊接生产中的重要工艺环节。
3.对焊接接头疲劳强度的影响
爆炸处理可以提高焊体疲劳强度的40%～110%。爆炸处理后材料具有较高的疲劳强度、较高的疲劳裂纹扩展门槛值和较低的疲劳裂纹扩展速率。在冲击波的塑性和弹性作用区，材料的疲劳性能均有明显的提高。爆炸处理后疲劳强度提高的原因是：爆炸冲击引起焊缝铁素体位错缠结或钉扎，减少了焊接影响区的残余拉应力，形成了局部压应力；同时焊接影响区表面经过冲击波处理后得到了强化。
4.对焊接接头再热裂纹的影响
选用再热裂纹敏感性较强的921钢进行试验，发现采用爆炸法代替退火处理消除焊接残余应力，不仅能有效地消除残余应力，还能避免构件在重复加热过程中产生再热裂纹。爆炸处理可以使金属组织的位错呈定向缠结排列和一定程度的增值，为析出相提供成核场所，增大新相弥散程度，减少晶界富集和邻近晶界区域的合金贫化。因此，既提高了晶界强度，又提高了整个材料的抗蠕变能力。
5.对焊接接头中残留裂纹行为的影响
由爆炸表面处理引起的入射压缩波，会使金属表层塑变强化、位错密度和点缺陷密度增大，从而提高了材料的抗疲劳能力。但试件中原已存在的裂纹在反射拉伸波的作用下有可能扩展，扩展的条件是作用于裂纹尖端最大正应力方向的应力强度因子大于动态情况下应力强度因子，并且持续时间要超过临界值。裂纹在反射拉伸波作用下扩展呈解理型。裂纹的扩展不连续，扩展方向与复合型裂纹尖端最大正应力方向垂直。
经爆炸冲击波处理后，带焊接残留裂纹的Q345R（16MnR）钢焊接接头的抗断能力显著提高，其脆性转变温度降低了40℃以上。这说明冲击波不仅不会增大残余裂纹的危害，反而有降低裂纹危害的作用。冲击波能使裂纹尖端前沿区域经过冲击波的形变热处理，晶粒细化并发生动态回复和再结晶，产生局部材料改性。性能得到改善的裂纹尖端区材料将裂纹整体包围起来，而在远离裂纹尖端区，材料会产生硬化，从而限制了该裂纹的扩展。Q345R（16MnR）钢经冲击波处理后，静载下其抗裂纹扩展的能力得到了明显提高，尤其在低于脆性转变温度时，冲击波处理材料的裂纹试样断裂吸收能量有近十倍的增长。在冲击载荷下，冲击波处理材料的抗裂纹扩展能力也有明显提高，但程度不及静载条件下的大。
5.3.4 应用实例[14]
1.在400m3液化气球罐上的应用
400m3液化气球罐的球皮厚度为30mm，材料为Q345R（16MnR），主焊缝总长度约300m，属3类压力容器，对组装及消除应力处理均有较高的要求。爆炸处理采取双面爆炸，即先炸外边，后炸内侧。以爆炸处理前后实测的残余应力值作为爆炸处理消除残余应力的评价依据，残余应力测试方法为盲孔法。表5-3为球罐各典型部位焊缝残余应力的实测结果。表5-4为按球罐相应焊接工艺、爆炸规范制作的对接试板爆炸后接头室温力学性能的测试结果。
由表5-3可见，球罐焊后的焊缝残余应力值普遍较高，达到或超过了Q345R（16MnR）钢的屈服强度，而经过爆炸处理后残余应力明显下降。爆炸处理后，残余应力在10MPa以下的测量点占总测量点数的56%；残余应力在100MPa以下的测量点占总测量点数的83%。如果焊后、爆炸处理后焊缝残余应力以平均值进行统计，则焊后的焊缝残余应力平均值σx=356MPa，σy=203MPa，爆炸处理后焊缝的残余应力平均值σx=-19MPa，σy=-27MPa。同时从表5-4可以看出，爆炸处理后焊接接头的力学性能基本不变，完全满足Q345R（16MnR）钢制压力容器的设计要求。
表5-3 球罐各典型部位焊缝残余应力的实测结果（横向应力σx/纵向应力σy）[14] （单位：MPa）
表5-4 对接试板爆炸后接头室温力学性能的测试结果[14]
2.100m3液化气储罐上的应用
100m3液化气球罐的筒体厚度为18mm，封头厚度为22mm，材料为Q345R（16MnR），主焊缝的总长度约为130m，属3类压力容器，对组装及消除应力处理均有较高的要求。爆炸处理采取单面爆炸，即炸内侧。表5-5为储罐各典型部位焊缝残余应力实测结果。表5-6为按储罐相应焊接工艺、爆炸规范制作的对接试板爆炸后接头力学室温性能的测试结果。
由表5-5可见，储罐焊后的焊缝残余应力普遍较高，达到或超过了Q345R（16MnR）钢的屈服强度，而经过爆炸处理后残余应力明显下降，爆炸处理后的残余应力基本在100MPa以下。同时从表5-6可以看出，爆炸处理后焊接接头的力学性能基本不变，完全满足Q345R（16MnR）钢制压力容器的设计要求。
表5-5 储罐各典型部位焊缝残余应力实测结果（纵向应力/横向应力） （单位：MPa）
表5-6 对接试板爆炸后接头室温力学性能的测试结果[14]
5.4 超声波冲击法
5.4.1 超声波冲击法的原理
超声波冲击法消除残余应力的原理是采用20kHz以上的高频大功率超声波，以巨大的能量带动冲击头对金属物体表面进行冲击，使金属表层产生很大的压缩塑性变形，从而达到消除残余应力的目的[15]。其原理类似于振动时效法和锤击法。对于材质比较软且容易变形的材料，采用超声波冲击法来消除其残余应力具有其他方法无法比拟的优点。
从材料的应力应变特性角度分析，超声波冲击法消除残余应力的必要条件是动应力σd（激振力）和残余应力σr之和大于材料的屈服强度σs。即
σd+σr≥σs （5-7）
当上式成立时，在工件内残余应力的高峰值处将产生局部屈服，引起微小的塑性变形，使得工件内部残余应力高峰值降低并使残余应力重新均化分布，达到强化金属基体、增强抗变形能力，以及提高工件尺寸精度的稳定性的目的。
从位错理论的微观角度分析，残余应力的本质是晶格畸变，而晶格畸变在很大程度上是由位错引起的。超声波振动过程中金属材料内部的位错滑移产生微观塑性变形，使残余应力得以释放。超声波冲击法消除残余应力的微观必要条件可表示为
σd+σr≥σl （5-8）
式中，σd为动应力；σr为残余应力；σl为流变应力。
当上式成立时，金属晶体将产生位错运动。位错运动一方面产生位错增殖及亚结构的变化；另一方面使晶体产生微观塑性变形。位错增殖及亚结构的变化将使金属发生强烈的加工硬化，即继续产生塑性变形的抗力增大，强度大大提高，从而提高工件的抗变形能力和尺寸稳定性。而金属晶体的微观塑性变形将使高残余应力得以释放，消除或降低应力集中，从而达到均化应力的目的。
5.4.2 超声波冲击法的工艺与特点
1.工艺
超声波冲击枪对准试件焊趾部位，基本垂直于焊缝。将冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列，略施加一定的压力，使处理过程基本在执行机构（冲击枪）自重的条件下进行。为了得到较好的疲劳性能需进行多次冲击。超声波冲击处理时，将冲击枪在垂直于焊缝的方向作一定角度的摆动，以便使焊趾部位获得更好的光滑过渡外形。以管接头为例，具体处理工艺如下：以1.0～1.5m/min的处理速度冲击处理3次，激励电流为2A。
2.特点
超声波冲击法是基于把超声波换能器的谐振转换成基于超声波频率的冲击脉冲，能够减少焊接变形，释放残余应力，减少焊接结构的应力集中。超声波冲击处理可以有效地改善焊缝与母材过渡区的形状，从而降低应力集中系数。同时，调整焊接残余应力场，在应力集中处产生有利的压应力，并且金属表面层的强度也得到了提高。大量的试验表明，经过超声波冲击处理的试件，其疲劳强度可以相当于或高于母材的疲劳强度。疲劳断裂将不在焊趾处发生，而发生在母材上，甚至有夹渣缺陷时也是如此。超声波冲击法的执行机构只有几千克，效率高（每分钟可以处理半米焊缝），噪声小，使用灵活，应用时受限制少。因此，超声波冲击法不但可以应用于焊接结构的制造过程中，也可以应用于安装现场；不但可以处理低碳钢接头，也可以处理高强钢接头；不但可以处理平板对接接头，还可以用于处理十字接头、管接头等。超声波冲击处理的效果如图5-12所示。
图5-12 超声波冲击处理的效果[16]
σm—平均应力 σr—残余应力
超声波冲击处理的作用深度为10～12mm，表面应力可由拉应力转化为压应力。0.02～0.1mm的白亮层可以增加构件的耐磨性和耐蚀性。塑性变形层可以提高构件的抗疲劳性能，增加其抗腐蚀疲劳强度。冲击松弛层可降低焊缝的应力为70%，超声松弛层可降低焊缝的应力为50%。
超声波冲击处理可显著降低焊缝及近缝区的焊接残余应力，可由原始的残余拉应力转变为有利的残余压应力。冲击处理后，冲击表面区域的晶粒明显变小，在表层有一层晶粒压扁层，并且表面硬度也有所增加，表面硬化层的厚度大约为0.12mm。进行超声波冲击处理，可有效降低残余应力，并可以提高构件的疲劳性能，防止裂纹的产生。
5.4.3 超声波冲击法的效果评估
1.应力分析
试验使用济南佳兴机械有限公司的专业型超声波冲击设备，测试件为长2m、宽1m、厚8mm的焊接好的铝合金板。试验前，先将板材截成长均为1m的两块板，将其中的一块板进行超声波冲击处理，采用盲孔法分别对两块板进行应力测量，测量时取6个点，钻孔直径为0.8mm，孔深为1.0mm。测得的超声波消除焊接残余应力变化如表5-7所示。经过超声波冲击后，焊接残余应力显著降低。
表5-7 超声波消除焊接残余应力变化[17]
2.位错分析
图5-13 超声波冲击处理前后的位错结构变化[17]
a）处理前 b）处理后
金相试样分别取自两块铝合金板。腐蚀液为混合酸（氢氟酸1mL、硝酸1.5mL、盐酸2.5mL和水95mL）。将试样进行粗磨、细磨，然后在抛光机上进行粗抛、细抛。待抛好无划痕后，用腐蚀液进行腐蚀，水冲洗，再用酒精清洗，直到能看到晶粒组织，即腐蚀完毕。采用显微镜观察得到超声波冲击处理前后的位错结构变化如图5-13所示。由该图可以看出，利用超声波消除焊接残余应力的方法的确可行，且效果比较明显。这证实了超声波冲击消除应力的原理从位错方面解释的合理性。此方法不仅能够降低焊接残余应力，而且能够有效地提高焊接接头的疲劳强度，延长疲劳寿命，抑制焊接裂纹，减小变形。
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