焊接应力的释放与研究

张丰雷

一、什么是焊接应力与释放

焊接应力指焊件内产生的应力。它是导致结构变形、形成裂纹的主要原因。焊接应力可分为瞬态热应力和焊接残余应力。

应力释放是指物体内某一点的应力由于释放能量而降低的现象，确切地说是能量释放。应力释放一般有两种情况：其一，在应力集中的部位，如断裂端点和交叉部位等处发生形变或破坏，导致应力释放；其二，并非应力集中的地区，由于力学性质变化或其他原因，致使强度降低，也会发生形变或破坏，造成应力释放。

焊接应力的危害可从两方面考虑：

一是对结构完整性的影响：焊接热应力可促使焊缝产生热裂纹，残余应力导致焊后延迟裂纹的形成。

二是对结构服役性能的影响：焊接残余应力可以加速疲劳破坏，导致应力腐蚀开裂(包括硫化物引起的开裂和碱脆破坏)，产生低温脆断破坏，促进材料的腐蚀磨损等。压缩残余应力还会造成薄板结构或细长杆件的压曲失稳，产生面外变形。

二、焊接应力减小与释放的研究

在焊接过程当中，由于热胀冷缩，焊后又没及时处理，就会出现焊接残余应力，这是形成各种焊接裂纹的原因之一，应在焊接、制造和设计时加以控制和重视。因此在焊接大型钢结构屋架的时候，由于我们需要对焊接应力进行详细的分析与研究，将焊接应力所产生的影响降低到最小。一般来说，焊接的方式主要分为几种：热时效、加载法、超声冲击与锤击。以下对这几种方式进行探讨。

1.大型钢屋架不应采用热时效方法

何为时效：时效分为自然时效和热时效。自然时效指把金属放在自然环境中，金属达到生产后的应力消除。热时效指在一定的温度中，金属的内应力消除。

对重要焊接构件先进行整体热时效，然后在现场与其他构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。在焊接很多大型钢结构建筑物的时候，我们一般都是采用整体热时效，然后运现场拼焊。通过热时效的焊接方式，可以具有焊缝去氢、恢复塑性和消除应力三重功能。在焊接过程当中，一般认为热时效的消除应力效果为40%～80%，能有效地保证焊接效果的完整。

但是对于本文论述的大型钢结构屋架来说，在现场采用的拼焊的方式，很容易导致残余应力依然保存在钢的结构当中，无法在焊接的过程中消除，加上现场无法采用进一步的热时效的方式对屋架进行处理，仅采用局部的热时效无法达到消除整个残余应力的要求，加上局部的热效应在加热的边缘出现新的残余应力无法得到清除。因此对于现场采用局部热时效的方式，建议应用在焊接小型的钢材上。焊接大型钢结构的屋架建议考虑其他补充、替代工艺。

2.建议采用加载法

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抵消一部分，达到松弛应力的目的。这种方式可以在一定程度上用于大型钢结构屋架的焊接。由于在焊接前先将所焊接的钢材进行拉伸。在焊接完毕之后，钢材能够在恢复时抵消焊接应力的影响，并且能够有一定的伸缩度，提高屋顶的承重能力。因此焊接大型钢结构屋架应该主要采用这种方式。

3.焊接过程中补充使用超声冲击与锤击的方法

超声冲击消除应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消除应力工艺的特点是：在超声频率(≥16kHz)下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击;从实验的数据来看：

（1）超声冲击对一定深度的表层有消除应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲击的表面会形成压应力，对2～4mm深度层消除应力效果可达34%～55%。

（2）采用焊趾冲击法，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19%，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。

（3）由于冲击工艺处理的特点，仅可以用于冲击工具可达的外表面，其工作效率约为1200mm2/min。

冲击工艺一般采用的压应力的方式将焊接应力随着振动的方式进行消除，这种工艺一般适用于短焊接的局部处理，如修补焊接口，小配件焊接方式等。焊接后容易产生延迟冷裂纹的情况。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。

（作者单位：南阳市技师院校）