浅议控制和消除焊接残余应力的方法

季敏

【摘要】在分析残余应力产生原理的基础上，介绍了焊接残余应力的概念，并探讨了焊接残余应力产生的原因及其影响因素，提出了消除焊接残余应力的方法，指出研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验具有重要意义。希望能够对今后提高产品内部质量及减少安全隐患方面提供一些有效对策。

【关键词】焊接，残余应力，物理特性，方法

焊接作为钢结构中的重要工艺，是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接结构广泛用于航天、桥梁、压力容器等工业中，焊接过程中的加热和冷却循环不可避免地导致残余应力的产生。残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能，同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响，对结构的强度造成很大危害，历史上许多灾难性破坏事故大多是由结构中的残余应力引起。因此，研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验有着重大的意义。

一、焊接残余应力产生原因及影响因素

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。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它随时间而变化，焊接后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力。

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。以熔焊方法为例，影响这一过程的主要因素，一方面是材料物理特性和力学性能，如热导率，比热容c，密度等；另一方面是不同类型焊接热源的影响，焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布，因而也改变着焊接残余应力的分布规律。

二、控制焊接残余应力的措施

焊接残余应力是可以通过结构设计和焊接工艺措施等加以调节和控制的。

（一）设计措施

焊接过程中，尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸，多一条焊缝就多一处应力场。大的焊缝尺寸，热影响区大，变形较大，相应残余内应力较大。焊缝间保持足够的距离，焊缝过分集中不仅使内应力分布不均匀。而且可能出现双向、三向复杂的残余内应力状态。采用刚性较小的焊缝形式，减少残余内应力的存在。

（二）选择合理的焊接顺序

焊接残余内应力是焊缝区金属纵向和横向收缩不自由引起的，不同的装配和焊接顺序对内应力的影响较大，一般来说。尽可能让焊缝自由收缩，减少焊接构件在施焊时的约束，最大限度的减少焊接应力。例如，平面闸门面板由许多小板拼焊而成，可以从中间向四周进行，使焊缝收缩由中间向外依次进行，由于平面交叉焊缝先焊横向焊缝，使横向焊缝焊接后有自由收缩可能。

（三）选择合理的焊接工艺参数

焊接方法、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接层数、线能量的选择是否合理，对残余应力影响很大。一般来说尽可能采用小直径焊条和较小的焊接电流，同时减小焊件热能影响区，从而减小焊接残余应力。

（四）预热

在进行厚板高强度材料焊接时，将焊件全部或者局部进行预加热，一般（150～350）℃之间，使焊缝区和构件整体之间的温差减小，让焊缝和构件整体能尽可能地均匀冷却，从而减小残余内应力。

（五）锤击法

利用圆头手锤锤击焊缝，使焊缝金属延展，抵消一部分焊接收缩，降低内应力。一般而言，温度较高时金属具有较高的塑性和延展性为好。对于含碳和合金量较高材料低于500cc时不宜锤击，一般以表面薄层能延展即可，过度会开裂。

（六）加热“减应区”

“减应区”即为焊接时阻碍焊接区自由伸缩的部位。在焊接或焊补刚性很大的结构时，选择减应区进行加热，使之伸长，然后进行焊接。焊接完后，该部位与焊缝能比较均匀地收缩，减小内应力。

三、消除残余应力的方法

事实上，把应力完全消除是不可能的，通常说消除残余应力，更准确地说应该是降低残余应力，使应力得到重新分布。降低残余应力主要有四种方法：

（一）自然时效

自然时效是最古老的一种消除应力的方法，它就是把构件露天放置于室外，给构件造成反复的温度应力，在温度应力形成的过程中，促使残余应力发生松弛。

（二）热时效

即构件由室温缓慢均匀加热至550℃左右，保温4—8h，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温度不超过570℃，保温时间不宜过长。如温度超过570℃，保温时间过长，会使构件的强度降低；如果升温速度过快，则构件在升温中薄壁处比厚壁处升温速度快得多，这样使构件各部分的温差急剧增大，会造成附加温度应力，如果附加应力与构件本身残余应力的迭加超过强度极限，就会造成构件开裂。

（三）振动时效

简称VSR，是敲击时效的延伸，可用木锤、橡皮锤或紫铜锤等敲击构件的合适部位，激起构件的共振。敲击时效就是给工件一个冲击力，击起工件的响应，工件以自己固有的频率和迅速衰减的振幅作减振运动。

（四）TIG重熔

焊趾缺陷是焊道融合线难以避免的小而尖锐连续的缺陷，往往形成结构疲劳破坏的裂纹源。常采用TIG重熔技术对焊趾进行修整，重建起裂前的状态，降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象，以延长疲劳寿命，同时TIG重熔也能改善焊缝区的横向残余应力。

除上述方法外，还有一些正研发的技术如振动焊接、超声波冲击、爆炸技术。

四、结语

通过对T型焊接试件残余应力分布的测量，基于逆磁致伸缩效应的磁测法，操作方便、快捷、实用，并且可以测得铁磁材料一定深度内不同层深的残余应力分布。焊接残余应力测量结果表明：焊缝区及附近存在较大的焊接残余应力，应力最大值接近材料屈服强度。不同深度残余应力变化规律不同，对于横向残余应力，是由压应力逐步过渡到拉应力；对于纵向残余应力，在靠近焊缝的区域上，也是由压应力逐步过渡到拉应力，随着远离焊缝的区域，则是由拉应力逐步过渡到压应力。

目前，由于铁磁材料在各类工程结构中大量应用，加上磁测法测量速度快，探测深度大，无辐射危险等优点，磁测法有很大的应用潜力。同时伴随焊接过程的进行，会在焊接构件的内部产生自相平衡的内应力。根据作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。以熔焊方法焊接的构件，其焊接残余应力的大小和分布主要与材料物理特性和力学性能、不同类型焊接热源等有关。