淺析焊接應力的控制與消除方法

耿漢學 GENG Han-xue

（中國石化集團南京化學工業有限公司，南京 210048）

0 引言

焊接殘余應力對焊接結構的使用性能有一定影響，容易引起結構的脆性斷裂，而拉伸殘余應力與壓縮殘余應力會分別產生影響，前者即會降低疲勞強度，后者即會減小穩定性極限，因此焊接殘余應力會直接導致焊接件變形和開裂。在焊接過程中，由于存在著諸多的不確定因素，所以對焊接殘余應力的具體測定非常繁瑣，這也使相關研究難上加難，所以不斷深入研究焊接結構的殘余應力是非常有必要的。在實際焊接操作的過程中，焊接結構的獲取往往是依靠經驗或者實驗，而在科學技術飛速發展的當下，新工藝層出不窮，如果僅僅憑借經驗或實驗，或許要花費大量的人力物力財力，而最終獲得的焊接結構也已經過時，由此也會造成嚴重的經濟損失。通過利用計算機技術，發揮計算機模擬的優勢作用，在實際的模擬中，可以通過驗證試驗來驗證數值是否適用，而對于焊接工藝、設計、參數的相關設置和篩選，都通過計算機來獨立完成，不僅節省了時間，也騰出了大量的人力來投入到其他的重要工作中，對經濟效益的提升起著積極的促進作用。

1 焊接應力概念

焊接應力是產生于焊接的過程中，焊接件內部的結構應力，當焊接操作完成之后，焊接件內部會存在一定的焊接應力。焊接應力會伴隨著焊接過程的進行而發生一定的變化，其分布沒有一定的規律可循，由于焊接件本身的一些因素，在焊接過程中焊接應力也會隨之變化。

2 產生焊接應力的原因

2.1 焊接件受熱不均勻

在具體焊接的過程中，焊接應力的產生和變形，是由于在焊接中實際操作不均勻，在焊接中的焊接件位置引焊接操作實施所產生熱漲，而在沒有焊接的位置則沒有產生熱漲，因此熱漲變形受到了相應的阻礙，最終在焊接完成后，會產生焊接變形以及焊接應力。

2.2 焊接金屬出現收縮

焊接的過程即為融化焊接的材料，之后進行金屬的填充，其在一般的常態下為全塑的狀態，而在整個焊接過程中，自身會發生變形，但不會拉動其他材料的變形，由此產生金屬收縮，以及金屬變形和焊接應力。

2.3 焊接件剛性約束

在焊接過程中，焊接變形以及焊接應力的產生，與焊接件的剛性約束有著一定的關系，焊接件的剛性越大，則發生焊接變形以及焊接應力的概率就越小，反之亦然，因此焊接件剛性約束與焊接變形、焊接應力之間是反比關系。

2.4 其它因素導致焊接殘余應力產生

在具體的焊接操作過程中，產生焊接殘余應力的因素有很多，如熱源、材料、剛性約束等，同時還伴有其他因素的影響。在焊接前期，對鋼結構的局部零件進行軋制，對焊接過程也會產生相應的影響，從而導致焊接殘余應力的產生，所以在焊接時，要從多方面進行考慮，綜合多種因素，由此來降低和消除殘余應力的產生，從而保障機械強度。

3 焊接應力對焊接結構的影響及危害

3.1 對結構剛度的影響及危害

一般情況下，外載產生的應力與結構中某區域的殘余應力兩者之和接近屈服點后，在該區域中的材料會發生變形，同時也不再能承受外載力，對結構剛度產生一定的影響，結構剛度會大大降低。當結構中有橫向焊縫、縱向焊縫、火焰校正等，在截面上會有殘余拉伸應力，而這時應將殘余拉伸應力與構件的內應力進行疊加，兩者疊加之和達到屈服點，則直接產生變形，結構剛度也會由此降低。

3.2 對受壓桿件穩定性的影響及危害

在外載引起的壓應力和殘余應力中壓應力兩者之和接近屈服點后，而該區域截面的外載能力將會進一步降低，而桿件的有效截面積也會因此削弱，有效截面積的分布也發生了根本性的變化，穩定性也隨之發生變化。殘余應力的分布，對受壓桿件的穩定性產生著直接性的影響。對于接頭構件中的應力而言，其穩定性與應力有著直接的關系，在實際的加工過程中，由于構件的部分要被去除，因此構件發生了外觀上的變化，而構件自身的穩定性也與之前發生了一系列變化，因此對接頭構件的精度也會產生相應影響。

3.3 對靜載強度的影響及危害

如果構件中的材料為脆性的材料，則塑性變形將無法進行，一旦外力的不斷增大，則構件中的應力無法達到均勻化，而此時的應力峰值在增大，并逐漸接近材料的屈服極限，則局部極容易被破壞，而后會發生構件的斷裂。由于脆性材料中存在著殘余應力，其承載能力會大大降低，斷裂也會隨之發生。低溫條件下的塑性材料，三向拉伸殘余應力的存在，塑性變形較難發生，如果接頭為干脆性狀態，則焊接殘余應力與外載作用力兩者會進行疊加，從而降低構件的承載能力，最終產生斷裂。

3.4 對疲勞強度的影響及危害

殘余應力能夠使變荷載應力循環發生一定的變化，而此偏移變化會對平均值產生一定影響，不會影響其幅值。應力循環與結構的疲勞強度有著密切的聯系，一旦應力循環平均值降低，則幅值會相應增加，反之應力循環平均值增加，則幅值會相應降低。所以，應力處一旦存在拉伸殘余應力，則疲勞強度也會因此降低，應力集中系數與殘余應力兩者之間呈現正比例關系。因此如何提高疲勞強度，則要從殘余應力進行分析，可以從設計和工藝上進行著手，由此來降低應力集中系數，從而降低其對疲勞強度的影響和危害。在對構件荷載試驗的過程中，殘余應力對疲勞強度產生著較大的影響，其能夠使接頭達到疲勞強度的極限，最終影響構件的質量。

3.5 對應力腐蝕開裂的影響及危害

應力腐蝕開裂，其開裂的原因即為殘余拉應力與化學腐蝕的共同作用，當接頭焊接完成之后，拉應力也會隨之產生，而在遇到腐蝕性強的介質時，就會在兩者的共同作用下產生構件開裂現象。殘余應力的大小，與應力腐蝕開裂有著密切的聯系，具體而言是決定腐蝕開裂的時間，較大的殘余應力，則開裂所需的時間也較短，反之則開裂需要更多的時間，一旦發生應力腐蝕開裂，則構件整體的穩定性會受到相應影響，而構件自身的質量也會受影響。

4 焊接應力控制方法

4.1 焊接結構

焊接殘余應力由焊接結構所導致，減少焊接量是降低應力的最有效方式，而減少焊縫數，減少焊縫尺寸等都能夠達到減少焊接量的目的。在相同的焊接強度之下，較小的焊縫尺寸比大焊縫尺寸的殘余應力要小很多。另外，這里應該注意的是，盡量避免焊縫的集中，焊縫距離較近，焊縫間容易產生耦合，從而形成殘余應力場，一般情況下焊縫間的距離應不小于100mm，同時大于3倍板厚。與此同時，要采用剛度小的焊接接頭，這樣結構的拘束度較小，從而形成的殘余應力較小。

4.2 焊接工藝

在焊接的過程中，影響焊接應力的主要因素有：焊接前的預熱、焊接的參數、焊接的順序、結構組件拆分等。焊接前的預熱，能夠緩解焊接過程中的溫度過低或過高，使溫度趨向平緩，從而確保不同焊接部位變形差異的穩定性，最終降低焊接殘余應力。焊接前的預熱溫度，與金屬的材料、結構剛性、散熱情況有著密切的聯系，其要根據材質的不同特性來確定預熱溫度，溫度的差異越小，則焊縫區與整體結構才能夠更加均勻的冷卻，從而達到減少殘余應力的目的，此種方式的應用，一般是脆性材料或剛性較大的焊接件。焊接參數的設置，對熱輸入有著重要的影響，小參數的設置，在焊接過程中熱輸入量也較小，塑性變形區也會相應減少，最終降低殘余應力。對于焊接的順序而言，要能夠確保焊縫的橫向和縱向收縮自如，通過控制焊接變形來降低焊接的殘余應力。在條件允許的情況下，焊接中應采取下述措施：即在焊接收縮量大的接頭后，再焊接收縮量小的；在焊接完短焊縫后，再焊接長焊縫；先焊接結構中心，再焊接結構外部等等，以達到減少焊接殘余應力的目的。在焊接前，將結構組件進行合理的拆分，并在組件上完成焊接，鑒于組件的剛度較小，在焊接的過程中，結構能自由變形，所以可以根據焊接變形由此來減少殘余應力。

4.3 消除焊接應力的方法

消除焊接應力的方法主要包含六種，以下針對幾種方法進行了簡要闡述。

4.3.1 錘擊法

錘擊法，通過錘擊法對殘余應力進行控制，由于焊接殘余應力是焊縫冷卻時所產生，所以通過應用錘擊法，對焊縫和焊縫周邊進行錘擊，使金屬慢慢展開，由此來降低殘余應力。

4.3.2 震動法

震動法，通過震動來消除殘余應力，當構件的承受荷載到達了一定數值，并在多次循環下通過震動能夠有效降低結構中的應力。此種方法所需要的成本不高，時間也較少，因此較多的用在不銹鋼、碳素鋼的內部應力消除上，且所取得的效果非常顯著。

4.3.3 整體高溫回火（消除應力退火）

此方法是加熱整體的焊接結構，并能夠持續保溫一段時間，接著再冷卻。對于相同的材料而言，應力消除的是否徹底，與回火溫度和時間有著密切聯系。通過利用整體高溫回火，能夠消除80%-90%的殘余應力。該方法也有其自身的缺點，即如果焊接結構較大，則需要較大的回火爐，而相對的投資費用也會增加。

4.3.4 機械拉伸法

在焊接件焊接完成后，會產生不同程度的壓縮殘余變形，即殘余應力的產生，所以通過機械拉伸法，可以起到有效的加載拉伸，減少壓縮參與變形的發生，從而降低和消除殘余應力。

4.3.5 溫差拉伸法（低溫消除應力法）

基本原理與機械拉伸法相同。

溫差拉伸法與機械拉伸法的原理大致相同，即為在焊縫兩側加熱到150～200℃，然后用水冷卻使焊縫區域受到拉伸塑性變形，由此來控制焊縫縱向殘余應力，此種方法往往用于焊縫比較規則、厚度不大（＜40mm）的板、殼結構。

4.3.6 局部高溫回火

對焊接過程中的焊縫及周邊區域進行加熱，由此來減少和消除應力，局部高溫回火與整體高溫回火相比，其所使用的設備簡單，固該方法普遍用于結構簡單的焊接結構。

5 應用案例

錘擊法，在消除應力的眾多方法中，其有著自身獨特的優勢，即操作較為簡便，施工不受限定條件的約束，能夠最大程度的節省能源，成本實現了最低化，效率得到了提高。在錘擊法使用的過程中，也有其自身的一些弊端，傳統錘擊法即通過手錘來進行錘擊，具有較大的勞動強度，而在操作過程中存在著隨意性，規范程度也不夠，所以錘擊法也使用過程中也存在著諸多的限制。以下對錘擊參數與消除應力效果之間的關系進行了系統的試驗分析，從而對錘擊在消除殘余應力中的實際應用作了進一步研究，為相關研究工作者提供了可行性的參考依據，對錘擊處理的進一步研究有著重要意義。

5.1 試驗材料、方法及設備

5.1.1 焊接試驗

試件采用低碳鋼，尺寸如圖1所示。

圖1 試樣尺寸示意圖

在試件的中心位置鉆孔，其尺寸為φ20×5mm，在此次焊接試驗中，其中焊接材料所采用的是E4303，相對直徑尺寸為φ4.0mm，而將U=28～32V，I=190～210A設置為焊接的工藝參數。

5.1.2 錘擊試驗

將試樣進行焊接完成之后，對其中的殘余應力進行相應的測試，接著采用錘擊方法開始試驗。對殘余應力的影響，以不同的錘擊時間為分析點，從而進行錘擊處理，選取的錘擊時間分別為：1min，3min和5min，在不同錘擊時間下，對殘余應力的變化情況進行對比分析。

5.2 錘擊參數對殘余應力的影響

在采用錘擊處理方法消除殘余應力的過程中，而錘擊參數對其有著一定的影響，錘擊參數包含：錘擊時間、頻率和大小，錘頭的性狀和尺寸等等。在本次研究試驗中，主要對錘擊時間這個參數對于焊接殘余應力效果的影響。

錘擊時間的長短，與錘擊處理效果有著密切的聯系，即錘擊時間越長，焊縫所發生的塑性變形也會越大，而拉伸應力會因此降低，錘擊時間分別為1min，3min和5min時，其應力的變化是非常明顯的，具體在分布圖可以看出，如圖2。從圖2中，不同錘擊時間下的應力幅值呈現一定的規律，即焊接金屬的變形隨著錘擊時間的增加而增大，由此可以降低焊縫的殘余應力。在熔合線處（r=0），錘擊時間和應力降低幅值之間的關系如圖3。

圖2 不同錘擊時間下的應力幅值降低分布圖（沖擊功為4.8J）

圖3 錘擊時間對殘余應力的影響

從圖3中能夠明顯看出，在錘擊時間增加的過程中，殘余應力的降低幅值也會隨之增大，消除殘余應力也呈現出較好的效果，但是殘余應力降低幅值增加的速度也相應發生了變化，即呈現變緩趨勢。從圖3中能夠明顯看出，錘擊時間從0-1，1-3，3-5（單位：min）的變化中，其應力降低幅值增加分別為：130，30，9（單位：MP），造成這種現象的原因主要是由于加工硬化所導致，隨著錘擊時間的增加，在錘擊處的金屬由于加工硬化而越來越嚴重，其此處的強度和變形抗力也會因此增大，在塑性變形中會越來越難。

如果焊縫的金屬是塑性較差的材料，則一旦錘擊過度，則會超過焊縫的塑性極限，同時就會出現不同程度的裂紋，形成焊縫隱患。與此同時，錘擊的時間長會加重焊縫金屬的加工硬化，從而使塑性變形變得越來越困難。因此，通過上述試驗可以得出，在采用錘擊法消除殘余應力的過程中，錘擊的時間最好控制在1min以內。

6 結束語

總而言之，在焊接的過程中，要對焊接工藝有所了解，針對不同的材料，選擇合適的焊接方法，由此來降低和消除焊接殘余應力，并采取有效的控制措施。在具體的焊接實踐中，要學會摸索和積累經驗，從多方面進行考慮，最終提升焊接的質量，提高施工進度。