淺談焊接應力對機械設備產生的危害及預防措施

張振星

摘 要：機械設備在現代建筑中應用的越來越多，焊接應力對焊接產生的影響越來越大，通過對焊接應力的產生原因進行分析，找準正確的解除方法，才能夠減少焊接應力和變形，提高焊接質量。基于此，本文首先對焊接應力的產生機理進行了概述，詳細探討了焊接應力對機械設備產生的危害及預防措施，旨在提高機械設備的焊接質量。

關鍵詞：焊接應力；機械設備；危害；預防措施

焊接已成為復雜結構制造過程中的一種加工方法。焊接結構與其它加工方法相比可節省金屬材料，具有很好的密封性，工序簡單，生產周期短，而且可以生產一些別的工藝方法難以完成的結構。但是，由于焊接過程中產生了極不均勻溫度場（包括加熱和冷卻時的溫度梯度）導致受約束的熱應變和塑性應變，從而引起了殘余應力。因此，對焊接殘余應力的產生機理進行分析，并制定相應的預防和處理方法，將對焊接質量提供強有力的措施保障，更好保障我國承壓特種設備的運行安全。

1 焊接應力的危害

1.1 對結構剛度的影響

當外荷載產生的應力與結構中焊接應力疊加之和達到屈服點對這一區域的材料就會產生局部塑性變形，表示了進一步承受荷載的能力造成結構的有效截面積減少，結構的鋼度也隨之降低。

焊接結構中焊縫及其附近區域的縱向拉伸殘余應力一般都可達到或接近屈服極限，如果外載產生的拉應力與殘余應力相疊加超過屈服極限，則其變形就要比沒有內應力或者內應力較低時大，并會發生局部屈服；當卸載時，其回彈量少于加載時的變形量，構件不能恢復到原始尺寸。經過第一次加載后內應力會下降，隨后的加載載荷只要不超過第一次，應力之和也就不大于5，整個加載過程只在彈性范圍內進行，卸載后不會產生新的殘余變形。這種現象會降低構件的剛度，例如梁形焊接構件。結構受彎曲時內應力對剛度的影響與焊縫的位置有關，焊縫所在的部位的彎曲應力越大，其影響就越大。

1.2對靜承載能力的影響

當靜載拉伸載荷作用于存在殘余應力的焊件上，則在外載與內應力的方向一致的區域中進行應力疊加，使應力值不斷升高。當疊加應力值達到屈服值時，根據材料拉伸特性曲線，其應力出現平臺不再升高，但是其變形量將繼續增加，直至整個焊接界面應力均勻化后才出現應力值升高直至斷裂。因此，存在殘余應力的焊件并不會由于外載增加而使局部區域提前斷裂。

1.3對結構脆性斷裂的影響

在實際構件中，若高強度鋼的韌性較低，焊接接頭處的缺陷會導致結構的低應力脆性斷裂，，斷裂評定必須考慮拉伸殘余應力與工作應力的共同作用的影響，應引入應力強度修正系數。若裂尖處于焊接殘余拉應力范圍內，則缺陷尖端的應力強度增大，；裂紋趨于擴展，直至裂紋尖端超出殘余拉應力范圍。隨后，裂紋有可能停止擴展或繼續擴展，這將取決于裂紋長度、應力強度和結構運行環境溫度。焊接應力只分布于局部區域，對裂紋的影響也局限于這一范圍。

1.4對應力腐蝕的影響

在應力和腐蝕的共同作用下會形成應力腐蝕，促使裂紋的形成、發展直至快速擴展造成斷裂。一些焊接構件工作在有腐蝕介質的環境中，除外載的工作應力外，焊接殘余應力本身也引起應力腐蝕開裂。這是在拉應力與化學共同作用下發生的，殘余應力與工作應力疊加后的拉應力值越高，應力腐蝕開裂所需的時間就越短。選擇對待定的環境和工作介質有良好抗腐蝕性的材料，以及對焊接構件進行消應力處理，都可以提高構件的抗應力腐蝕能力。

1.5對構件精度和尺寸穩定性的影響

為保證構件的設計技術條件和裝配精度，某些焊接構件在焊后要進行機械加工。一部分材料從焊件上被切除時，此處的內應力也隨之釋放，使構件中原有的殘余應力場失去平衡而重新分布，引起構件變形。這類變形往往是在機械加工后松開夾具后才充分顯示出來，影響構件精度。

此外，焊接構件中的殘余應力隨時間的延長會緩慢變化而重新分布，發生應力松弛，同時焊件尺寸也產生相應的變化，影響到構件的精度和尺寸穩定性。不同的材料會引起不一樣的殘余應力松弛，對結構的精度和尺寸穩定性影響也不一樣。

控制焊接應力的主要措施包括加熱減應區、預熱方法焊接、錘擊焊縫、降低焊縫的拘束度等方法。

2 降低和消除焊接應力的對策

2.1設計方面

關鍵對焊縫進行正確布置，降低應力疊加，從而大大降低應力峰值。

（1）避免將焊縫設置在斷面劇烈過渡的區域。例如折邊封頭過渡區圓角半徑很小、非等厚連接處等斷面劇烈過渡區，都不適合進行焊縫設置。斷面劇烈過渡區存在應力集中現象，斷面厚薄（粗細）懸殊會造成剛性差異和受熱差異懸殊，增大焊接應力，故應避免。當不可避免時，可將厚件削薄實現等厚連接

（2）在布置焊縫時盡可能分散，避免產生交叉。一般來說，筒體縱縫的間距要求大于100 mm。盡量避免使用交叉焊縫，以免三向應力的產生。但并非完全不能采取交叉焊縫，在大型容器的制備過程中時，為采用自動化程度較高的工藝裝備，提高生產率，對那些塑性較好的材料（低碳鋼、16Mn鋼等）也可采用十字交叉焊縫結構。如對大型球形容器我國規定了兩種并行的焊縫拼接法。

（3）對結構設計進行改進，降低焊件局部剛性，從而降低焊接應力。對于一些厚度大、剛性大的工件，為防裂可開圓槽。

2.2工藝方面

（1）在焊前進行預熱。通過預熱降低焊接時溫度差異，減緩冷卻速度，從而降低熱應力。小件焊件可進行整體預熱；對于尺寸較大的焊件，只能采用局部預熱，預熱部位應在焊縫區以外。

（2）對焊接順序進行合理安排。焊接順序安排的基本原則是：在剛性較小的情況下進行大多數焊縫的施焊，以便焊件的自由收縮，從而降低焊接的應力；對于收縮量最大的焊縫，應該現行焊接，如結構中既有對接焊縫，又有角焊縫，應先焊對接焊縫，后焊角接焊縫。

（3）對焊縫進行錘擊。在焊縫金屬的冷卻過程中，利用圓頭小錘對焊縫進行輕輕的敲擊，拓展焊縫，可有效減少焊接應力。

2.3焊后處理

（1）機械拉伸的方法。加載完成焊接的結構，加強結構內部應力，使之接近屈服強度，最后進行卸載，以達到部分消除焊接應力的目的。如容器制造中的水壓試驗。

（2）焊后熱處理的方法。焊后熱處理是最常用的消除焊接應力方的法，此方法是利用在高溫下材料屈服極限的減少，在應力高的地方發生塑性流動，從而達到消除焊接應力的目的。一般采用消除應力退火。其規范視材料、板厚及預熱情況而異。焊后熱處理對消除焊接應力雖有較好的效果，但應注意對某些合金鋼，尤其是板厚較大時，易產生再熱裂紋。

3 結束語

綜上所述，焊接殘余應力是焊接結構發生脆斷的重要原因，焊接部位材料的有效比例極限會隨著焊接殘余應力的增大而大幅度降低，受壓構件的剛度、焊接結構的耐腐蝕能力、抗疲勞能力都會隨之而降低，值得進步重點關注和研究。

參考文獻：

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