浅谈焊接残余应力控制措施及消除方法

摘要：文章主要阐述了焊接结构在焊接过程中产生的残余应力及应力的消除方法，主要说了焊接残余应力的分布、焊接残余应力施工中的控制、焊后消除焊接应力的方法。

关键词：焊接 残余应力 控制 措施 消除方法

前言

随着焊接技术的迅速发展，在短短的几十年中焊接已是工业技术中的重要方法之一。如建筑钢结构、压力容器、船舶、车辆等中几乎全部用焊接代替了铆接。部分过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯也改成了焊接结构，焊接技术不仅大大减化了生产工艺，而且还降低了很多成本。但是实际焊接中也存在不少问题，如焊接的内应力、焊接结构的变形、焊接结构的脆性断裂、焊接结构的疲劳强度等都直接影响着焊接的质量。本文就对焊接残余应力进行具体分析。

一、焊接残余应力的分布

在厚度不大（δ

二、焊接残余应力施工中的控制

在焊接过程中采用一些简单的工艺措施往往可以调节内应力，降低残余内应力的峰值，避免在大面积内产生较大的拉应力，并使内应力分布更为合理。这些措施不但可以降低残余应力，而且也可以降低焊接过程中的内应力。因此有利于消除焊接裂纹。现在把这些措施分述于后：

1、采用合理的焊接顺序和方向

尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝。如带盖板的双工字钢构件，应先焊盖板的对接焊缝，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝，使对接焊缝能自由收缩，从而减少内应力。

先焊工作时受力较大的焊缝，如在工地焊接梁的接头时，应先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝，然后焊接腹板对接焊缝，最后再焊接翼缘角焊缝。这样的焊接次序可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。翼缘角焊缝留在最后焊接，则可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以在焊接翼缘板对接焊缝时采取反变形措施，防止产生角变形。试验证明，用这种焊接次序焊接的梁，疲劳强度比先焊腹板后焊翼缘板的高30%。

在拼板时，应先焊错开的短焊缝，然后再焊直通长焊缝。如采用相反的次序，即先焊长焊缝，再焊短焊缝，则由于短缝的横向收缩受到限制将产生很大的拉应力。在焊接交叉（不论是丁字交叉或十字交叉）焊缝时，应该特别注意交叉处的焊缝质量。如果在接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷（如未焊透等），则缺陷正好位于纵焊缝的拉伸力场中，造成复杂的三轴应力状态。此外，缺陷尖端部位的金属，在焊接过程中不但经受了一次焊接热循环，而且由于应变集中的原因，同时又受到了一次比其它没有缺陷地区大得多的挤压和拉伸塑性变形的过程，消耗了材料的塑性，对强度大为不利。这里往往是脆性断裂的根源。

2、在焊接封闭焊缝或其它刚性较大，自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝隙的自由度。

3、锤击或辗压焊缝

每焊一道焊缝用带小圆弧面的风枪或小手锤锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过份产生裂纹。采用辗压法，也可有效地降低内应力。

4、在结构适当部位加热使之伸长

加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形。在冷却时，加热区的收缩和焊缝的收缩方向相同，使焊缝能自由地收缩，从而降低内应力。利用这个原理可以焊接一些刚性比较大的焊缝，获得降低内应力的效果。如大皮带轮或齿轮的某一轮幅需要焊修，为了减少内应力，则在需焊修的轮幅两侧轮缘上进行加热，使轮幅向外产生变形。焊缝在轮缘上，则应在焊缝两侧的轮幅上进行加热，使轮缘焊缝产生反变形，然后进行焊接，都可以取得良好的降低焊接应力的效果。

三、焊后消除焊接内应力的方法

由于焊接内应力的不利影响只有在一定的条件下才表现出来。例如，对常用的低碳钢及低合金结构钢来说，只有在工作温度低于某一临界值以及存在严重缺陷的情况下才有可能降低其静载强度。要保证焊接结构不产生低应力脆性断裂，是可以从合理选材，改进焊接工艺，加强质量检查，避免严重缺陷来解决的。消除内应力仅仅是其中的一种方法。

常用的焊后消除内应力的方法有：整体高温回火、局部高温回火、机械拉伸、温差拉伸以及震动法等。前两种方法在降低内应力的同时还可以改善焊接接头的性能，提高其塑性。具体如下：

1、整体高温回火

这个方法是将整个焊接构件加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度，材料的成分和组织，也和应力状态，保温时间有关。对于同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力也就消除得越彻底。

2、局部高温回火处理

这种处理方法是把焊接周围的一个局部区域进行加热。由于这种方法带有局部加热的性质。因此消除应力的效果不如整体处理，它只能降低应力峰值，而不能完全消除。但局部处理可以改善焊接接头的机械性能。处理的对象只限于比较简单的焊接接头。局部处理可用电阻、红外、火焰和感应加热等。消除应力的效果与温度分布有关，而温度分布又与加热区的范围有关。为了取得较好的降低应力的效果，应该保证足够的加热宽度。

3、机械拉伸法

机械拉伸法是通过加载拉伸，拉应力区在外载的作用下产生拉伸塑性变形。它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反。因为焊接残余内应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，内应力也就消除的越彻底。

机械拉伸消除内应力对一些焊接容器特别有意义。它可以通过液压试验来解决。液压试验根据不同的具体结构，采用一定的过载系统。液压试验的介质一般为水，也可以用其它介质。这里应该指出的是液压试验介质的温度最好能高于容器材料的脆性断裂临界温度，以免在加载时发生脆断。对应力腐蚀敏感的材料要慎重选择试验介质。在试验时采用声发射监测是防止试验中脆断的有益措施。

总之，在现代化工业制造中，金属焊接结构的应用日趋广泛。但由于金属的物理化学性能存在的差异，使得金属焊接的问题比较复杂。在上面讨论的内容中，并没有对其深层次的机理问题进行探讨，只是结合实际情况，对如何实现焊接质量的合格，采取了有针对性的措施，仅供各位工程技术人员探讨。