如何消除或減小焊接殘余應力

焊接殘余應力是焊接結束后殘留在焊件內的應力，殘余應力對焊接結構的強度、腐蝕和尺寸穩定性等使用性能造成影響。雖然在結構設計時，考慮了殘余應力的問題，在工藝上也采取了一定的措施來防止或減小焊接殘余應力，但由于焊接應力的復雜性，結構焊接完以后仍然可能存在較大的殘余應力。另外，有些結構在裝配過程中還可能產生新的殘余應力，這些焊接殘余應力及裝配應力都會影響結構的使用性能。常用的消除或減小殘余應力的方法，有以下幾種。

一、熱處理法

熱處理法是利用材料在高溫下屈服點下降和蠕變現象，達到松弛焊接殘余應力的目的。同時，熱處理還可改善焊接接頭的性能。生產中常用的熱處理法，有整體熱處理和局部熱處理兩種。

1.整體熱處理

將整個結構件緩慢加熱到一定的溫度（低碳鋼為650℃），并在該溫度下保溫一定的時間（一般按每mm板厚保溫2－4min，但總時間不少于30min），然后空冷或隨爐冷卻。整體熱處理消除殘余應力的效果取決于加熱溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度、加熱方法和加熱范圍，一般可消除60%－90%的殘余應力，在生產中應用比較廣泛。

2.局部熱處理

對于某些不允許或不可能進行整體熱處理的焊接結構，可采用局部熱處理。局部熱處理就是對構件焊縫周圍的局部應力很大的區域及其周圍，緩慢加熱到一定溫度后保溫，然后緩慢冷卻，其消除應力的效果不如整體熱處理，它只能降低殘余應力峰值，不能完全消除殘余應力。對于一些大型筒形容器的組裝環縫和一些重要管道等，常采用局部熱處理來降低結構的殘余應力。例如，在鋪設熱力管道的過程中，焊接結束時常采用氧乙炔焰對焊縫進行局部加熱，來降低焊接部位的殘余應力。

二、機械拉伸法

機械拉伸法是通過不同方式在構件上施加一定的拉伸應力，使焊縫及其附近產生拉伸塑性變形，與焊接時在焊縫及其附近所產生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，以達到松弛殘余應力的目的。實踐證明，拉伸載荷加的越高，壓縮塑性變形量就抵消得越多，殘余應力消除得越徹底。在壓力容器制造的最后階段，通常要進行水壓試驗，其目的之一也是利用加載來消除部分殘余應力。

1.溫差拉伸法

溫差拉伸法的基本原理與機械拉伸法相同，其不同點是機械拉伸法采用外力進行拉伸，而溫差拉伸法是采用局部加熱形成的溫差來拉伸壓縮塑性變形區。做法通常是在焊縫兩側各用一適當寬度（一般為100-150mm）的氧乙炔焰嘴加熱焊件，將焊件表面加熱到200℃左右，在焰嘴后面一定距離用水管噴頭冷卻，以造成兩側溫度高、焊縫區溫度低的溫度場。兩側金屬的熱膨脹對中間溫度較低的焊縫區進行拉伸，產生拉伸塑性變形抵消焊接時所產生的壓縮塑性變形，從而達到消除殘余應力的目的。如果加熱溫度和加熱范圍選擇適當，消除應力的效果可達50%－70%。

2.錘擊焊縫

在焊后用手錘或一定直徑的半球形風錘錘擊焊縫，可使焊縫金屬產生延伸變形，能抵消一部分壓縮塑性變形，起到減小焊接應力的作用。錘擊時，注意施力應適度，以免施力過大而產生裂紋。

三、震動法

利用由偏心輪和變速電動機組成的激振器，使結構發生共振所產生的循環應力來降低內應力。震動法所用設備簡單、價廉，節省能源，處理費用低，時間短，也沒有高溫回火時金屬表面氧化等問題。所以，目前在焊件、鑄鍛件中，為了提高尺寸穩定性，較多采用該方法。

總之，焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻過程，焊接結構必然存在焊接殘余應力和變形，這不僅影響焊接結構的外型尺寸和外觀質量，也會給焊后的繼續加工帶來很多麻煩，甚至直接影響焊接結構的強度。所以，根據焊接結構的不同情況，合理選擇消除或減小焊接殘余應力的方法，顯得尤為重要。

（作者單位：河北省遷安市職業技術教育中心）