淺議控制和消除焊接殘余應力的方法

季敏

【摘要】在分析殘余應力產生原理的基礎上，介紹了焊接殘余應力的概念，并探討了焊接殘余應力產生的原因及其影響因素，提出了消除焊接殘余應力的方法，指出研究和測量構件中殘余應力對生產和科學試驗具有重要意義。希望能夠對今后提高產品內部質量及減少安全隱患方面提供一些有效對策。

【關鍵詞】焊接，殘余應力，物理特性，方法

焊接作為鋼結構中的重要工藝，是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜過程，接關系到工程質量的好壞、結構的安全。焊接結構廣泛用于航天、橋梁、壓力容器等工業中，焊接過程中的加熱和冷卻循環不可避免地導致殘余應力的產生。殘余應力將影響到腐蝕、開裂、疲勞強度等力學性能，同時也會對材料的物理機械性能產生巨大影響，對結構的強度造成很大危害，歷史上許多災難性破壞事故大多是由結構中的殘余應力引起。因此，研究和測量構件中殘余應力對生產和科學試驗有著重大的意義。

一、焊接殘余應力產生原因及影響因素

殘余應力是在無外力作用時，以平衡狀態存在于物體內部的應力。焊接過程中，某一瞬時的焊接應力稱為焊接瞬時應力，它隨時間而變化，焊接后殘留在焊件內的焊接應力稱為焊接殘余應力。

焊接殘余應力產生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的。以熔焊方法為例，影響這一過程的主要因素，一方面是材料物理特性和力學性能，如熱導率，比熱容c，密度等；另一方面是不同類型焊接熱源的影響，焊接熱源的種類、熱源能量密度的分布、熱源的移動速度、被焊接件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場分布，因而也改變著焊接殘余應力的分布規律。

二、控制焊接殘余應力的措施

焊接殘余應力是可以通過結構設計和焊接工藝措施等加以調節和控制的。

（一）設計措施

焊接過程中，盡量減少結構上焊縫的數量和焊縫尺寸，多一條焊縫就多一處應力場。大的焊縫尺寸，熱影響區大，變形較大，相應殘余內應力較大。焊縫間保持足夠的距離，焊縫過分集中不僅使內應力分布不均勻。而且可能出現雙向、三向復雜的殘余內應力狀態。采用剛性較小的焊縫形式，減少殘余內應力的存在。

（二）選擇合理的焊接順序

焊接殘余內應力是焊縫區金屬縱向和橫向收縮不自由引起的，不同的裝配和焊接順序對內應力的影響較大，一般來說。盡可能讓焊縫自由收縮，減少焊接構件在施焊時的約束，最大限度的減少焊接應力。例如，平面閘門面板由許多小板拼焊而成，可以從中間向四周進行，使焊縫收縮由中間向外依次進行，由于平面交叉焊縫先焊橫向焊縫，使橫向焊縫焊接后有自由收縮可能。

（三）選擇合理的焊接工藝參數

焊接方法、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊接層數、線能量的選擇是否合理，對殘余應力影響很大。一般來說盡可能采用小直徑焊條和較小的焊接電流，同時減小焊件熱能影響區，從而減小焊接殘余應力。

（四）預熱

在進行厚板高強度材料焊接時，將焊件全部或者局部進行預加熱，一般（150～350）℃之間，使焊縫區和構件整體之間的溫差減小，讓焊縫和構件整體能盡可能地均勻冷卻，從而減小殘余內應力。

（五）錘擊法

利用圓頭手錘錘擊焊縫，使焊縫金屬延展，抵消一部分焊接收縮，降低內應力。一般而言，溫度較高時金屬具有較高的塑性和延展性為好。對于含碳和合金量較高材料低于500cc時不宜錘擊，一般以表面薄層能延展即可，過度會開裂。

（六）加熱“減應區”

“減應區”即為焊接時阻礙焊接區自由伸縮的部位。在焊接或焊補剛性很大的結構時，選擇減應區進行加熱，使之伸長，然后進行焊接。焊接完后，該部位與焊縫能比較均勻地收縮，減小內應力。

三、消除殘余應力的方法

事實上，把應力完全消除是不可能的，通常說消除殘余應力，更準確地說應該是降低殘余應力，使應力得到重新分布。降低殘余應力主要有四種方法：

（一）自然時效

自然時效是最古老的一種消除應力的方法，它就是把構件露天放置于室外，給構件造成反復的溫度應力，在溫度應力形成的過程中，促使殘余應力發生松弛。

（二）熱時效

即構件由室溫緩慢均勻加熱至550℃左右，保溫4—8h，再嚴格控制降溫速度至150℃以下出爐。熱時效工藝要求是嚴格的，如要求爐內溫度不超過570℃，保溫時間不宜過長。如溫度超過570℃，保溫時間過長，會使構件的強度降低；如果升溫速度過快，則構件在升溫中薄壁處比厚壁處升溫速度快得多，這樣使構件各部分的溫差急劇增大，會造成附加溫度應力，如果附加應力與構件本身殘余應力的迭加超過強度極限，就會造成構件開裂。

（三）振動時效

簡稱VSR，是敲擊時效的延伸，可用木錘、橡皮錘或紫銅錘等敲擊構件的合適部位，激起構件的共振。敲擊時效就是給工件一個沖擊力，擊起工件的響應，工件以自己固有的頻率和迅速衰減的振幅作減振運動。

（四）TIG重熔

焊趾缺陷是焊道融合線難以避免的小而尖銳連續的缺陷，往往形成結構疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG重熔技術對焊趾進行修整，重建起裂前的狀態，降低由于焊趾缺陷所造成的應力集中現象，以延長疲勞壽命，同時TIG重熔也能改善焊縫區的橫向殘余應力。

除上述方法外，還有一些正研發的技術如振動焊接、超聲波沖擊、爆炸技術。

四、結語

通過對T型焊接試件殘余應力分布的測量，基于逆磁致伸縮效應的磁測法，操作方便、快捷、實用，并且可以測得鐵磁材料一定深度內不同層深的殘余應力分布。焊接殘余應力測量結果表明：焊縫區及附近存在較大的焊接殘余應力，應力最大值接近材料屈服強度。不同深度殘余應力變化規律不同，對于橫向殘余應力，是由壓應力逐步過渡到拉應力；對于縱向殘余應力，在靠近焊縫的區域上，也是由壓應力逐步過渡到拉應力，隨著遠離焊縫的區域，則是由拉應力逐步過渡到壓應力。

目前，由于鐵磁材料在各類工程結構中大量應用，加上磁測法測量速度快，探測深度大，無輻射危險等優點，磁測法有很大的應用潛力。同時伴隨焊接過程的進行，會在焊接構件的內部產生自相平衡的內應力。根據作用時間可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。以熔焊方法焊接的構件，其焊接殘余應力的大小和分布主要與材料物理特性和力學性能、不同類型焊接熱源等有關。