余高去除对铝合金钨极氩弧焊接头残余应力影响学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《焊接》2017年第5期，由河北科技大学石康柠、汪殿龙、梁志敏与广东省焊接技术研究所韩善果合作完成，获得国家自然科学基金（51205106）和铝合金特种船舶高效焊接装备及关键技术研究（2013DFR70160）资助。研究采用超声波法测量了3 mm和5 mm厚船用5系铝合金TIG填丝焊接头去除余高前后的正面横纵向残余应力分布，揭示了余高去除对残余应力分布的影响规律。

残余应力测量方法与技术要点

焊接残余应力是焊接接头中最重要的力学状态之一，直接影响焊接结构的强度、疲劳寿命、应力腐蚀敏感性和变形行为。测量焊接残余应力的方法主要包括：

测量方法	原理	优点	缺点	适用场景
超声波法	声速变化与应力状态相关	非破坏、可测量全截面	对材料各向异性敏感	现场检测、批量检测
X射线衍射法	晶格间距变化反映应力	精度高、表面测量	仅能测量表面浅层	实验室精确测量
钻孔法	释放应力后测量变形	可测量深层应力	破坏性、操作复杂	重要部件的精确测量
中子衍射法	中子穿透深度大	可测量深层应力	设备昂贵、需专用设施	大型结构件
电阻应变法	应力释放后应变变化	操作简单	精度有限	现场快速检测

本文采用超声波法进行残余应力测量，该方法属于非破坏性检测方法，适合对焊接接头进行原位测量。超声波法的基本原理是：在弹性范围内，材料中的应力状态会导致声速发生变化，通过测量超声波在材料中的传播速度，可以反推出残余应力的大小和方向。对于铝合金，超声波法具有良好的适用性，因为铝合金的弹性模量和声速与应力之间的线性关系较为明确。

余高去除对残余应力分布的影响规律

焊接余高（Weld Reinforcement）是焊缝表面高出母材表面的隆起部分，其存在会产生应力集中，对焊接接头的疲劳性能和服役可靠性产生不利影响。余高去除（通常采用打磨或车削方式）是焊接后处理中的常见工序，但其对残余应力分布的影响是一个值得深入研究的课题。

本文的主要发现可归纳为以下几点：

余高去除前的应力分布特征：3 mm厚试板与5 mm厚试板相比，近缝区由于变形较大释放了部分应力，导致纵向残余应力稍小。两个厚度试板的纵向残余应力分布曲线均呈现近缝区拉应力最高、试板两侧存在压应力区的特征。这一分布规律符合焊接残余应力的经典理论——焊缝区域因冷却收缩受约束而产生拉应力，而母材区域通过弹性变形产生压应力以维持整体平衡。
余高去除后的应力变化：去除余高后，两个厚度试板的纵向残余应力曲线均呈驼峰状，焊缝中心残余应力较低，近缝区达到残余应力最大值。这一结果表明，余高去除改变了应力分布的形态，但并未从根本上消除残余应力。
余高去除对横向应力的影响：余高的去除对于消除纵向残余应力没有太大影响，但可适当降低横向残余应力。这一发现具有重要的工程意义，因为横向残余应力通常与焊缝的横向变形和裂纹萌生密切相关。

工程实践启示与思考

余高去除是焊接后处理中的常规工序，但对其残余应力影响的定量认识在工程实践中往往被忽视。该研究为工程技术人员提供了以下重要启示：

第一，余高去除不能替代焊后消应力处理。余高去除主要改变的是应力分布的局部形态，对整体残余应力水平的影响有限。对于残余应力敏感的焊接结构（如承受交变载荷的船舶结构、承受腐蚀介质的压力容器），焊后消应力处理（如整体退火、局部热处理、振动时效等）仍然是必要的。

第二，余高去除对横向应力的降低作用值得关注。横向残余应力的降低有助于减少焊接变形和横向裂纹的风险，对于薄壁铝合金结构的焊接质量控制具有实际意义。

第三，不同厚度的焊接接头对余高去除的响应存在差异。3 mm和5 mm试板的表现说明，板厚对残余应力分布的影响不可忽视，工程实践中需要根据具体板厚制定相应的后处理方案。

第四，超声波法作为一种非破坏性测量方法，在焊接质量检测和结构评估中具有广阔的应用前景。对于船舶、航空航天等对焊接质量要求严格的领域，超声波法可用于焊接接头的残余应力在线监测和寿命评估。

该文献的研究成果虽然聚焦于铝合金TIG焊接头，但其方法论（超声波测量残余应力、余高去除对应力分布的影响分析）可以推广到其他材料体系（如碳钢、不锈钢、钛合金等）的焊接接头评估中。对于从事焊接工艺开发和结构可靠性评估的技术人员而言，该研究提供了重要的理论依据和工程参考。

焊接残余应力的控制始终是焊接工程中的核心问题之一，余高去除作为焊接后处理的重要手段，其对残余应力的影响需要通过系统的试验研究和理论分析来深入理解。该文献的研究为这一领域的工程实践提供了有价值的定量数据和分析框架，有助于推动焊接接头残余应力控制从定性判断向定量管理转变。