如何消除或减小焊接残余应力

焊接残余应力是焊接结束后残留在焊件内的应力，残余应力对焊接结构的强度、腐蚀和尺寸稳定性等使用性能造成影响。虽然在结构设计时，考虑了残余应力的问题，在工艺上也采取了一定的措施来防止或减小焊接残余应力，但由于焊接应力的复杂性，结构焊接完以后仍然可能存在较大的残余应力。另外，有些结构在装配过程中还可能产生新的残余应力，这些焊接残余应力及装配应力都会影响结构的使用性能。常用的消除或减小残余应力的方法，有以下几种。

一、热处理法

热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象，达到松弛焊接残余应力的目的。同时，热处理还可改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法，有整体热处理和局部热处理两种。

1.整体热处理

将整个结构件缓慢加热到一定的温度（低碳钢为650℃），并在该温度下保温一定的时间（一般按每mm板厚保温2－4min，但总时间不少于30min），然后空冷或随炉冷却。整体热处理消除残余应力的效果取决于加热温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围，一般可消除60%－90%的残余应力，在生产中应用比较广泛。

2.局部热处理

对于某些不允许或不可能进行整体热处理的焊接结构，可采用局部热处理。局部热处理就是对构件焊缝周围的局部应力很大的区域及其周围，缓慢加热到一定温度后保温，然后缓慢冷却，其消除应力的效果不如整体热处理，它只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。对于一些大型筒形容器的组装环缝和一些重要管道等，常采用局部热处理来降低结构的残余应力。例如，在铺设热力管道的过程中，焊接结束时常采用氧乙炔焰对焊缝进行局部加热，来降低焊接部位的残余应力。

二、机械拉伸法

机械拉伸法是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，以达到松弛残余应力的目的。实践证明，拉伸载荷加的越高，压缩塑性变形量就抵消得越多，残余应力消除得越彻底。在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。

1.温差拉伸法

温差拉伸法的基本原理与机械拉伸法相同，其不同点是机械拉伸法采用外力进行拉伸，而温差拉伸法是采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。做法通常是在焊缝两侧各用一适当宽度（一般为100-150mm）的氧乙炔焰嘴加热焊件，将焊件表面加热到200℃左右，在焰嘴后面一定距离用水管喷头冷却，以造成两侧温度高、焊缝区温度低的温度场。两侧金属的热膨胀对中间温度较低的焊缝区进行拉伸，产生拉伸塑性变形抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。如果加热温度和加热范围选择适当，消除应力的效果可达50%－70%。

2.锤击焊缝

在焊后用手锤或一定直径的半球形风锤锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接应力的作用。锤击时，注意施力应适度，以免施力过大而产生裂纹。

三、震动法

利用由偏心轮和变速电动机组成的激振器，使结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力。震动法所用设备简单、价廉，节省能源，处理费用低，时间短，也没有高温回火时金属表面氧化等问题。所以，目前在焊件、铸锻件中，为了提高尺寸稳定性，较多采用该方法。

总之，焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，焊接结构必然存在焊接残余应力和变形，这不仅影响焊接结构的外型尺寸和外观质量，也会给焊后的继续加工带来很多麻烦，甚至直接影响焊接结构的强度。所以，根据焊接结构的不同情况，合理选择消除或减小焊接残余应力的方法，显得尤为重要。

（作者单位：河北省迁安市职业技术教育中心）