關于焊接殘余應力消除原理的探討

（山西機電職業技術學院，山西 長治 046011）

0 引言

在對待相關復雜零件與設備裝置的構件塑造中，焊接是一種最為常見，并且十分具有實用性的加工方法。焊接構件構造具有生產時間短、使用周期長、操作簡便與封閉牢固性等許多優點，但在焊接操作的過程中，經常會有焊接殘余應力存在嚴重制約焊接產品的使用周期與穩固性，其產生的原因是因為在焊接構件過程中，由于焊接環境的溫度差異形成一個不均衡的溫度圈，導致焊接材質發生了內變，即改變了構件的塑形應變能力與熱度應變能力，從而形成了焊接殘余應力。關于焊接殘余應力的消除方法從產生之初便一直是相關行業所關注的重點話題，根據焊接殘余應力的形成條件不難發現，解決焊接形成的壓縮塑性變形就能克服殘余應力的產生。

1 焊接殘余應力的消除方法

1.1 對焊接殘余應力使用熱處理消除法

一般來說，處于高溫環境的焊接材料會由于溫度的提高而內部材料變得逐漸軟化，形成脆變現象與高溫度閾值下降的狀況出現，在面對以上這種情況，焊接材料的殘余應力有一定程度的下降，并且在此時，如果通過熱能軟化材料對零件的接頭部分進行重新加工焊接，能逐漸完善焊接結構的穩定性，提高構件的使用周期。在進行熱處理焊接的方法分為兩種，即局部高溫熱度處理與全面高溫熱度處理[1]。

1.2 局部高溫熱度處理

在面對焊接材料零件處于峰值過高的情況時，采用局部高溫熱度處理能夠較快解決殘余應力的存在，但其適用范圍較窄，只能針對特殊情況進行處理分析。有關局部高溫熱度處理方式大概分為火焰灼燒加熱處理、電力阻流熔爐加熱處理、熱流感應器加熱處理以及紅外線加熱處理等方式。按照上述方式，進行焊接殘余應力的消除效果，其關鍵之點在于高溫熱度加熱區的溫度高低與覆蓋范圍大小有關。

1.3 全面高溫熱度處理

在面對焊接工作時一個整體的零件結構或者工程時，應該根據焊接殘余應力的分布位置做出架構圖，根據架構圖中的零件厚度與大小進行高溫熱度的時間進行準確估計，例如，在面對以毫米為計量單位的構件板塊時，按照1mm 高溫熱度處理1.5min，最少進行為期30min 高溫熱度處理；如果其覆蓋范圍過于龐大，則最大高溫熱度閾值時間不宜超過3h。在對整體焊接殘余應力的消除工作時，根據存留的殘余應力率先進行全面協調的高溫處理，同時根據架構圖中所描述最為嚴重的殘余應力地區進行專門增溫，例如,在鈦合金與不銹鋼的焊接殘余應力消除工作中，應該將全面溫度提升至580℃；在普通鐵質的殘余應力消除中，將溫度提升至600℃。遵循上述高溫熱度消除法，能夠最大程度消除殘余應力，但具體結果還是要根據高溫熱度處理的面積范圍、溫度提升的方式、焊接完成后的冷卻工作與材料保溫的時間長短有關。

2 對焊接殘余應力使用外力加載消除法

針對焊接過程中形成的焊接縫隙，常常導致零件結構不夠緊密，所以面對這種焊接殘余應力的消除方式應該是，對焊接構件進行外物力量的施加，使得焊接構件進行內外結構的拉伸，將形成的焊接縫隙進行融合處理，即通過裝置拉伸、溫差拉伸、氣壓液壓等方式施加應力，對焊接零件進行壓合重造，從而達到成功消除焊接殘余應力的目的[2]。

2.1 機械拉伸法

通過對焊接結構的觀察之后，確定進行焊接的部位，對焊接區域使用機械裝置進行壓力壓制，使得焊接內部的伸縮變形區得到進一步的壓縮，從而可塑性大大提高，引起殘余應力的降低。其次，在焊接材料的殘余應力達到可是進行消除的標準，應當以此時的消除閾值為準，將拉伸塑性轉化為彈性塑性，此時，可以根據數據信息統計可知，焊接殘余應力有一定程度上的減弱。在人民出版社的《焊接結構》一書中這樣描述：“經過拉伸的加載機械，能夠使得焊接應力在外力的作用下產生明顯的拉伸塑性變化，并且拉伸方向能夠于最初焊接材料的拉伸塑性方向呈反向生長”，二者相對而立，在零件內部由于焊縫形成的殘余應力相互抵消，大幅度提高加載應力，即能夠快速消除存留在機械內部的殘余應力。

2.2 低應力無變形拉伸法

在面臨焊接材料處于長期動態的情況下，首先要針對焊接的首尾進行拉伸壓縮，即通過對焊接材料的兩端進行率先焊接處理，因為在焊接金屬的兩端由于高溫的作用，會形成大范圍的溫度上升，焊接金屬膨脹擴大，帶動存在于焊接縫隙之間的殘余應力的壓縮，與原有拉伸應力相互聯合疊加，使得焊接材料的質度低于高溫加工的材料質度，形成屈服拉伸壓力。在這一過程中，當殘留的殘余應力能夠融合呈屈服拉伸應力時就說明形成了整個過程的焊接殘余應力，也就是焊接殘余應力得到了減少；當拉伸應變壓力大于焊接應力時，就說明焊接應力在焊縫中留存的越來越多，殘余應力增多；當拉伸應變壓力與焊接應力相等時，就說明此時達到了全部焊接應力都得到了清除。從上述分析可知，通過低應力無變形拉伸法雖然能在一定程度上消除殘余應力的存在，但從大的范圍來看，依舊只能減緩焊接應力的產生，并且在拉伸過程中會形成新的殘余應力，總而言之，該方法的適用范圍與后果導致此類消除方法具有局限性。

2.3 滾壓法

對焊接金屬進行滾壓之前，應當將原有的焊接金屬的彈性數值設為εs，其中焊接殘余應力設為σs，在利用滾壓法進行焊接金屬工程時，由于滾壓形成的拉伸彈性會引起金屬可塑性能的增加與變形力度的加大，所以經歷滾壓之后的彈性應力變化值為εs-εp，殘余應力值為E(εs-εp)，根據所得出的結論可以知道，E(εs-εp)εs,可以知道此時焊縫出現壓應力。結合上述理論可以知道，在進行滾壓焊接時，由于焊接金屬與外界條件的干涉，會導致金屬的拉伸性能提高，同時產生彈性變化應力，在一定程度上降低了金屬中殘留的焊接殘余應力，所以滾壓法是消除殘余應力的有效措施與方法[3]。

2.4 溫差拉伸法

由北京機械工業出版社發行的《機械工程手冊》中這樣表述：“當焊接金屬的首尾兩端受到外部高溫加熱時，會導致兩端金屬受熱過度膨脹，高溫部位向低溫部位進行焊縫拉伸轉移，從而產生的拉伸變形應力使得整體區域的可塑性大大提高，用于抵消原本殘留的壓縮變形之處，以便消除殘余應力。”通過上述文獻論證發現，在金屬兩端進行溫度的增加處理后，在其他條件不變的情況下，能夠使得溫度較低的金屬部位收縮，溫度較高的地方金屬呈現膨脹，對其中焊接過程中形成的焊縫進行物色處理，并且壓縮方向時沿著金屬加熱的縱向進行壓縮處理，使得其中的殘余應力有所降低。

3 焊接殘余應力的消除原理

據統計，當進行金屬焊接作業時，其中的相對壓縮原理變形與金屬的可塑性不會在焊縫中產生，從而塑造有效的拉伸應力與可塑性的變形，在參與應力消除原理中，由于塑性應力變化的產生以致于彈性應力變化進行相互抵消。一般來說，在焊接金屬的焊縫中通常會有拉伸塑形應變在其中產生，產生的應力能夠有效地消除殘余應力。此外，還有一種觀點認為，上述焊接殘余應力的描述并不十分準確，對拉伸塑性應變與殘余應力的抵消的原理解釋不全面[4]。

1）可塑性應力變化時不可逆轉、不可恢復的變化，彈性應力變化則是可逆轉、可恢復處理的變化，二者具有完全不同的性質。當沒有外物應力的基礎上，由于焊接構件中的可塑性應力分布不均衡，會與彈性應力在不同環境中產生數量與質量的變化，因此，二者消除殘余應力的抵消理論是難以實現的，不夠全面。

2）在對焊接殘余應力的消除討論中，通過拉伸塑性應力變化差異的產生，就能夠使其消除焊接殘余應力是不切實際以及缺少理論支撐。在一個彈性應力變化弱于拉伸塑性應力變化時，存在經過焊接形成的金屬質量的增加，也變相擴大了焊接構件的體積，因此這方面理論支撐不夠實際。在進行彈性應力屈服拉伸應力變化與可塑性應力變化值中，存在焊接構件原有的應力變化，在重新評估后依舊會存在殘余應力，只能減少殘余應力，而不能消除。

4 結語

針對消除焊接殘余應力，首先要根據殘余應力形成的條件與環境進行入手，即通過熱度應力變化、相對金屬部位應力變化以及拉伸可塑性能等方面出發，根據面臨的不同環境與金屬進行選擇消除焊接殘余應力的方式，通過熱量處理使得焊接形成的縫隙構件進行中和，再對其獨有應力變化的源頭進行焊接構件的自我應力消除。在常規焊縫形成過程中，由于金屬縫隙具有可塑性，并且能夠在一定條件下完成伸縮性能的改變，從而利用上述原理進行殘余應力的消除工作，實現焊接殘余應力的消除。