焊接應力的釋放與研究

張豐雷

一、什么是焊接應力與釋放

焊接應力指焊件內產生的應力。它是導致結構變形、形成裂紋的主要原因。焊接應力可分為瞬態熱應力和焊接殘余應力。

應力釋放是指物體內某一點的應力由于釋放能量而降低的現象，確切地說是能量釋放。應力釋放一般有兩種情況：其一，在應力集中的部位，如斷裂端點和交叉部位等處發生形變或破壞，導致應力釋放；其二，并非應力集中的地區，由于力學性質變化或其他原因，致使強度降低，也會發生形變或破壞，造成應力釋放。

焊接應力的危害可從兩方面考慮：

一是對結構完整性的影響：焊接熱應力可促使焊縫產生熱裂紋，殘余應力導致焊后延遲裂紋的形成。

二是對結構服役性能的影響：焊接殘余應力可以加速疲勞破壞，導致應力腐蝕開裂(包括硫化物引起的開裂和堿脆破壞)，產生低溫脆斷破壞，促進材料的腐蝕磨損等。壓縮殘余應力還會造成薄板結構或細長桿件的壓曲失穩，產生面外變形。

二、焊接應力減小與釋放的研究

在焊接過程當中，由于熱脹冷縮，焊后又沒及時處理，就會出現焊接殘余應力，這是形成各種焊接裂紋的原因之一，應在焊接、制造和設計時加以控制和重視。因此在焊接大型鋼結構屋架的時候，由于我們需要對焊接應力進行詳細的分析與研究，將焊接應力所產生的影響降低到最小。一般來說，焊接的方式主要分為幾種：熱時效、加載法、超聲沖擊與錘擊。以下對這幾種方式進行探討。

1.大型鋼屋架不應采用熱時效方法

何為時效：時效分為自然時效和熱時效。自然時效指把金屬放在自然環境中，金屬達到生產后的應力消除。熱時效指在一定的溫度中，金屬的內應力消除。

對重要焊接構件先進行整體熱時效，然后在現場與其他構件進行組合拼焊的工藝是建筑鋼結構制造常采用的方法。在焊接很多大型鋼結構建筑物的時候，我們一般都是采用整體熱時效，然后運現場拼焊。通過熱時效的焊接方式，可以具有焊縫去氫、恢復塑性和消除應力三重功能。在焊接過程當中，一般認為熱時效的消除應力效果為40%～80%，能有效地保證焊接效果的完整。

但是對于本文論述的大型鋼結構屋架來說，在現場采用的拼焊的方式，很容易導致殘余應力依然保存在鋼的結構當中，無法在焊接的過程中消除，加上現場無法采用進一步的熱時效的方式對屋架進行處理，僅采用局部的熱時效無法達到消除整個殘余應力的要求，加上局部的熱效應在加熱的邊緣出現新的殘余應力無法得到清除。因此對于現場采用局部熱時效的方式，建議應用在焊接小型的鋼材上。焊接大型鋼結構的屋架建議考慮其他補充、替代工藝。

2.建議采用加載法

加載法就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抵消一部分，達到松弛應力的目的。這種方式可以在一定程度上用于大型鋼結構屋架的焊接。由于在焊接前先將所焊接的鋼材進行拉伸。在焊接完畢之后，鋼材能夠在恢復時抵消焊接應力的影響，并且能夠有一定的伸縮度，提高屋頂的承重能力。因此焊接大型鋼結構屋架應該主要采用這種方式。

3.焊接過程中補充使用超聲沖擊與錘擊的方法

超聲沖擊消除應力技術由烏克蘭巴頓焊接研究所提出，近年引入我國，已在北京電視臺鋼結構立柱上進行過試驗。超聲沖擊消除應力工藝的特點是：在超聲頻率(≥16kHz)下應用束狀沖頭，在對焊趾和焊縫表面進行沖擊;從實驗的數據來看：

（1）超聲沖擊對一定深度的表層有消除應力的效果，在采用對焊道全覆蓋沖擊時，被沖擊的表面會形成壓應力，對2～4mm深度層消除應力效果可達34%～55%。

（2）采用焊趾沖擊法，可以快速修復焊趾的缺陷，降低應力集中。并伴隨其壓應力區的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應力，下降率達19%，對提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。

（3）由于沖擊工藝處理的特點，僅可以用于沖擊工具可達的外表面，其工作效率約為1200mm2/min。

沖擊工藝一般采用的壓應力的方式將焊接應力隨著振動的方式進行消除，這種工藝一般適用于短焊接的局部處理，如修補焊接口，小配件焊接方式等。焊接后容易產生延遲冷裂紋的情況。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。

（作者單位：南陽市技師院校）