浅谈焊接残余应力的危害及预防措施

摘要：本文笔者根据多年的特种设备监督检验经验，分析了焊接残余应力的产生机理和对构件的主要危害影响，并提出了设计和工艺的预防措施，以及针对焊接残余应力的问题制定有效地处理方法，具有一定的技术参考价值。

关键词：焊接；残余应力；危害影响；预防措施；消除方法

焊接已成为复杂结构制造过程中的一种加工方法。焊接结构与其它加工方法相比可节省金属材料，具有很好的密封性，工序简单，生产周期短，而且可以生产一些别的工艺方法难以完成的结构。但是，由于焊接过程中产生了极不均匀温度场（包括加热和冷却时的温度梯度）导致受约束的热应变和塑性应变，从而引起了残余应力。因此，对焊接残余应力的产生机理进行分析，并制定相应的预防和处理方法，将对焊接质量提供强有力的措施保障，更好保障我国承压特种设备的运行安全。

1.焊接残余应力的产生机理

残余应力是在无外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。焊接构件由焊接而产生的内应力成为焊接应力。按作用时间可分为瞬时应力和焊接残余应力。在某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它随时问变化而变化，焊后残留在焊件内的焊接应力成为焊接残余应力。焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度引起的。焊接时的温度变化大，在焊缝区最高温度可达到材料的沸腾点，而离开热源急剧下降直至室温，所以焊件中都是有焊接残余应力存在的。

在焊接过程中，焊接区以远远高于周围区域的温度被急剧加热，并被局部熔化，在加热过程中，焊接区受热膨胀，并受到周围较冷区域的约束，使焊接区形成了塑性的拉压缩；冷却过程中焊接区的冷却收缩受到周围区域的约束，最终，焊接区域呈现拉伸残余应力，相邻区域则呈现压缩残余应力。

2.焊接残余应力的危害[1]

2.1对构件变形的影响

残余应力对构件变形的危害主要表现两方面：一是影响构件抵抗静、动载荷的变形能力，另外就是影响载荷卸除后变形的恢复能力。残余应力在这两方面的危害相当大。残余应力是一个不稳定的应力状态。构件受外力时，与残余应力相互作用，使构件某些局部呈塑性变形，截而内应力重新分布；当外力去除时，整个构件发生变形。所以，残余应力明显地影响构件加工后的精度。

2.2对构件刚度的影响

焊接残余应力会与外在产生的内应力进行叠加，当二者叠加的和与构件材料的屈服点相等时，会造成构件的局部变形，会使相关部位的刚度降低。

2.3对构件疲劳强度的影响

通过一定的试验分析发现，如果构件中存在焊接残余应力的作用，对构件进行载荷试验，构件会很容易达到相关的疲劳极限，这说明焊接残余应力的存在会对构件的疲劳强度产生一定的影响。

2.4对构件稳定性的影响

外荷载与焊接残余应力在焊接过程的叠加效应往往会重新分布残余应力，且产生二次变形，尤其是再加上介质温度，那么会严重影响到焊接结构的稳定性能和承载能力。

2.5对构件静载强度的影响

没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑形变形能力，残余应力不影响构件的静载强度。反之，如材料处于脆性状态，则拉伸内应力与外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。

2.6对应力腐蚀开裂的影响

腐蚀介质和拉应力的双重作用下会使得一些介质材料表面出现裂缝，产生应力腐蚀开裂。而焊接残余应力的存在会使得腐蚀断裂加速，拉应力加大。

3.降低焊接残余应力的预防措施

3.1焊接结构设计措施

（1）在保证结构有足够的强度时，尽量减少焊缝的数量和尺寸；

（2）避免焊缝过于集中，焊缝间应保持足够的距离；

（3）在残余应力为拉力的区域内，应该避免几何不连续性，以免内应力在该处进一步提高；

（4）采用钢性较小的接头形式。

3.2焊接工艺措施

（1）采用较小的焊接线能量。较小的焊接线能量的输入能有效减小焊接热塑变形的范围和温度梯度的幅度，从而降低焊接应力。

（2）合理的安排焊接顺序。在焊接过程中尽量使所焊焊缝能自由收缩。先焊收缩量较大的焊缝，使其能在结构整体刚性较小的情况下自由收缩；先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝；当结构上的多余焊缝受力不均时，应先焊在工作时受力较大的焊缝，使焊接应力能合理地分布；焊接带有交叉焊缝的接头，焊接时必须采用保证交叉点部位不易产生缺陷的焊接顺序。

（3）锤击处理法。锤击处理法是指用锤击轻击焊缝及周围区域，用高速粒子直接冲击工作表面的工艺，也称喷丸。锤击可以降低拉伸残余应力，也可以在锤击表面诱导出残余压应力，这是该处理方法主要有益的特点。

（4）采用正确的焊接接头形式。在焊接的过程中，如果焊接街头的刚性较大，就会在焊接之后产生较大的焊接残余应力，因此，在焊接过程中，在满足相关的设计要求的前提下，尽量选用刚性较小的接头，在实际的焊接应用中，采用法兰翻边式焊接代替插人式焊接、应用空心管材取代实心的焊接材料都是有效的减少焊接残余应力的措施。

（5）预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）。对于那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，采用预热或机械方式，使之与焊接区同时拉伸（膨胀）和同时压缩（收缩），就能减小焊接应力，这种方法称为预热拉伸补偿法[2]。

（6）整体预热。焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。

（7）消氢处理。采用低氢焊条以降低焊缝中的含氢量，憨厚及时进行消氢处理，都能减小焊缝中的氢含量，减小氢致集中应力。

4.消除焊接残余应力的方法

4.1热处理法

热处理就是将焊接构件整体或局部以一定加热速度加热到A1相变点以下的适当温度数小时或数日的长时间保温，然后再进行缓冷的过程。这种方法不仅能消除焊接残余应力，而且还能使焊接区材质得到改善。回火处理是通过加热调整组织，使内应力得到松弛或调整的方法，退火是通过加热促使金属在内应力的驱使下蠕变，使残余应力同时消除或是调整的方法。

4.2加载法[3]

加载法就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，达到松驰应力的目的。

（1）机械拉伸法。即对焊件施加载荷，使焊缝区产生塑性拉伸，以减少其原有的压缩塑变，从而降低或消除应力，如：压力容器的水压试验。

（2）温差拉伸法。利用温差使焊缝两侧金属受热膨胀以对焊缝区进行拉伸，使其产生拉伸塑变以抵消原有的压缩塑变，从而减少或消除应力。

（3）爆炸法。爆炸消除应力方法是以炸药为介质，利用贴在焊缝及其附近的炸药的爆炸，所产生的冲击波造成的塑性变形来消除金属材料构件的焊接残余应力。据报道消除厚度可达70mm，效果可达60%，瞬间完成，适合大型和特大型结构。

4.3振动法

构件承受变载荷应力达到一定值后，经多次振动，其结构中的残余应力并逐渐降低，即振动法消除焊接残余应力。一般大型焊件使用振动器消除应力。该方法的优点是设备简单、成本低，时间较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。例如，大推力火箭的焊接组件，就是采用振动平台消除内应力。

4.结束语

总之，焊接残余应力是焊接结构发生脆断的重要原因，焊接部位材料的有效比例极限会随着焊接残余应力的增大而大幅度降低，受压构件的刚度、焊接结构的耐腐蚀能力、抗疲劳能力都会随之而降低，值得进步重点关注和研究。

参考文献：

[1] 李国华. 浅析焊接残余应力的控制与消除[J].大众科技，2011，12：101-102.

[2] 贺启良，马东溟. 焊接工艺参数对焊接残余应力的影响[J]. 材料研究与应用，2010，04（01）：75-77.

[3] 杨常群. 消除16MnR焊接残余应力的研究[D]. 吉林大学，2012.