基于焊接应力的化工机械设备危害与解决办法研究

摘要：本文阐述了焊接应力及其种类，分析了焊接应力产生的原因及危害，并基于设计、工艺、焊后处理等方面，提出了降低和消除焊接应力的对策。

关键词：焊接应力；化工；机械设备；危害；办法

焊接的过程主要通过局部加热进行。焊接变形指的是由局部的膨胀和收缩引起的整体形状和尺寸的发生改变；内应力产生的原因是焊接过程中焊件各部分变形幅度不同和焊件之间相互制约。焊接变形与内应力对产品的质量和使用安全产生巨大的影响。

一、 焊接应力及种类

焊接应力包括在焊接结构中由内外因素而引起的拘束应力和在焊接接头中显微缺陷处聚集扩散氢形成的氢致局部应力。焊接应力的大小及分布受到焊件材料、焊接材质、焊接方式、装配焊接顺序、焊接参数、焊接构件的刚度以及外加的拘束程度等因素的影响。按照焊接应力在空间的方向可以分为单向应力、双向应力和三向应力。薄板对接时，可以认为是双向应力。三向应力通常出现在3个方向焊缝的交叉处、大厚度焊件的焊缝以及存在裂纹、夹渣等缺陷处。三向应力使材料的塑性降低、容易导致脆性断裂，它是一种最危险的应力状态。常见的焊接应力有纵向应力、横向应力和厚度方向应力。大量的研究表明，当构件经受不均匀加热时，会在局部区域产生塑性应变。当热源撤离、构件温度恢复到原始的均匀状态时，由于在构件内部发生了不可恢复的塑性变形，因而产生了相应的危害。

热应力和组织应力是根据产生焊接应力的原因划分的；纵向焊接应力和横向焊接应力是根据焊接应力作用的方向划分的，具体来说，根据焊接应力在空间方向的不同，又可分为单向应力、双向应力和三向应力。严格地说，焊件中的应力应为三向应力。但对薄板，其焊接应力主要为单向或双向应力。单向应力对焊件的强度影响不大，有时不必消除；但若板厚大于25～30m m，则焊缝存在双向或三向应力，焊缝金属的强度及冲击值将显著下降，因此应采取一定的措施以减小和消除焊接应力。

二、 焊接应力产生的原因及危害

焊接应力是焊接过程中焊件被加热或冷却时体积变化受阻而产生。在焊接过程中引起体积变化的主要原因是：由于温度降低体积收缩和低温时组织转变而引起的体积变化。

（一）焊接应力受组织转变的影响

组织转变发生在在焊缝金属和热影响区金属的加热和冷却过程中。组织应力是由于不同组织的不同密度，引起组织转变过程中，焊缝区金属的体积膨胀或收缩而产生的焊接应力。

焊接应力的危害主要表现在以下几个方面。

①对焊接区金属的抗疲劳强度和塑性产生不良影响 焊接区的应力状态往往复杂多变，且峰值往往很高，在高应力区常常发生过塑性拉伸，降低材料的塑性及工件的抗疲劳强度。这对承受动载荷的结构危害很大。

②诱发焊接裂纹的产生 因受阻而发生焊接区收缩的拉应变，当其超出该材料的承受范围时，则会在焊接区造成裂纹。

③对应力腐蚀速度产生促进作用 应力腐蚀速度受到拉应力的影响会加快。

④对焊件精度产生降低作用 在温度、时间等的作用下焊接应力会逐渐变低，这种降低容易造成焊接件的整体形状、尺寸发生一些变化。

（二）热收缩影响焊接应力

在冷却过程中，已凝固的焊缝金属由于在垂直焊缝方向上产生较大的温度差别，低温区金属限制高温区金属的收缩，在两部分金属中同时引起内应力结果就是，高温区金属内部存在拉应力，低温区金属内部存在压应力。这种由于冷收缩受阻而产生的焊接应力称为热应力。热应力是焊接应力中最主要的形式。

四、降低和消除焊接应力的对策

设计、工艺及焊后处理三方面是降低和消除焊接应力的三大主要对策。

（一）设计方面

关键对焊缝进行正确布置，降低应力叠加，从而大大降低应力峰值。

1.避免将焊缝设置在断面剧烈过渡的区域。例如折边封头过渡区圆角半径很小、非等厚连接处等断面剧烈过渡区，都不适合进行焊缝设置。断面剧烈过渡区存在应力集中现象，断面厚薄（粗细）悬殊会造成刚性差异和受热差异悬殊，增大焊接应力，故应避免。当不可避免时，可将厚件削薄实现等厚连接

2.在布置焊缝时尽可能分散，避免产生交叉。一般来说，筒体纵缝的间距要求大于1 0 0 m m。尽量避免使用交叉焊缝，以免三向应力的产生。但并非完全不能采取交叉焊缝，在大型容器的制备过程中时，为采用自动化程度较高的工艺装备，提高生产率，对那些塑性较好的材料（低碳钢、16M n钢等）也可采用十字交叉焊缝结构。如对大型球形容器我国规定了两种并行的焊缝拼接法。

3.对结构设计进行改进，降低焊件局部刚性，从而降低焊接应力。对于一些厚度大、刚性大的工件，为防裂可开圆槽。

（二）工艺方面

1.在焊前进行预热。通过预热降低焊接时温度差异，减缓冷却速度，从而降低热应力。小件焊件可进行整体预热；对于尺寸较大的焊件，只能采用局部预热，预热部位应在焊缝区以外。

2.对焊接顺序进行合理安排。焊接顺序安排的基本原则是：在刚性较小的情况下进行大多数焊缝的施焊，以便焊件的自由收缩，从而降低焊接的应力；对于收缩量最大的焊缝，应该现行焊接，如结构中既有对接焊缝，又有角焊缝，应先焊对接焊缝，后焊角接焊缝。

3.对焊缝进行锤击。在焊缝金属的冷却过程中，利用圆头小锤对焊缝进行轻轻的敲击，拓展焊缝，可有效减少焊接应力。

（二）焊后处理

1.机械拉伸的方法。加载完成焊接的结构，加强结构内部应力，使之接近屈服强度，最后进行卸载，以达到部分消除焊接应力的目的。如容器制造中的水压试验。

2.焊后热处理的方法。焊后热处理是最常用的消除焊接应力方的法，此方法是利用在高温下材料屈服极限的减少，在应力高的地方发生塑性流动，从而达到消除焊接应力的目的。一般采用消除应力退火。其规范视材料、板厚及预热情况而异。焊后热处理对消除焊接应力虽有较好的效果，但应注意对某些合金钢，尤其是板厚较大时，易产生再热裂纹。

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