焊接结构的残余应力的研究

王苹

【摘 要】随着社会经济的飞速发展，人们对各类焊接零部件的技术要求越来越高。而在一些零件进行焊接加工时，焊接作业所产生的残余应力对零部件的性能影响非常大，甚至有时候会使零部件报废。因此，对焊接残余应力进行研究并设法消除，是提高零部件焊接品质的重要途径。

【关键词】焊接结构；残余应力；消除方法

0.引言

人们对焊接应力的认识由来已久，但对其进行系统的研究时间并不长。通俗来说，残余应力的产生是由焊接时零部件受热不均匀，而导致零部件内部受热产生的向外膨胀的力。而在焊接后的零部件冷却阶段，在零部件会有一定的应力残留，即所谓的残余应力。它对零部件的结构性能影响很大，必须设法消除。

1.焊接结构的残余应力对零部件的不良影响分析

1.1残余应力对零部件疲劳强度的影响分析

所谓零部件的疲劳强度，是指零部件在使用过程中能够保证基本性能不发生重大变化的时间，有时候也被称为疲劳寿命，它是检验零部件性能的一个重要指标。根据一项研究，零部件疲劳强度受零部件材料、加工工艺以及焊接残余应力等因素的影响较大。其中，焊接残余应力所构成的影响最大。也就是说，一个构件的疲劳强度与焊接的应力循环有关，当一个构件的焊接的应力循环的平均值增加时，它的极限就会有所降低，所以说如果在构件的应力上存在着焊接结构的残余应力，那么这个构件的疲劳强度则会大大地降低。而且，如果这种焊接残余应力的值达到了一定的程度，超过了零部件所能承受的最大限度，就会从根本上破坏零部件的结构性能，也就是说会使加工的零件失去使用价值。因此，如果想让零部件的疲劳强度增大，就应当设法减小残余应力。

1.2残余应力对零部件的稳定性的影响分析

无论在课堂上还是在实际生活中，我们都知道，每一种材料都有它自身的稳定性。生产零部件所使用的材料也不例外。当零部件受到各种压力、弯压时，构件就会出现各种不稳定的现象，比如说受压杆件会不稳定、焊件加工精度和尺寸会不稳定等。而根据研究，当零部件受到焊接残余应力的影响时，零部件材料稳定性所受到的不良影响非常强烈。例如，在焊接钢制结构的零部件时，残余应力会使零部件表面残生一些细微的裂缝或者氧化，严重破坏其化学稳定性，使其容易产生金属疲劳或者生锈，对它的正常使用也构成了非常不利的影响。而且，当外面的压力与焊接结构的残余应力同时作用于构件时，会出现更加严重的问题，焊件会出现由于有效截面积严重不足而导致的受压杆件不稳定以及由于焊接结构的残余应力之前的平衡状态被破坏而导致的焊件加工精度和尺寸不稳定等等一些严重的问题。故而，要想提高零部件的结构稳定性，就必须设法解决焊接残留应力问题。

1.3焊接残余应力对零部件静力强度的影响分析

一般来说，当零部件焊接加工时不使用非常集中的焊接结构时，零部件的静力强度一般来说不会受到焊接结构残余应力过大的影响。但一些零部件加工时由于性能要求，必须使用到高度集中式的焊接结构时，其对零部件静力强度的影响就不容忽视了。而且，构件处于比较脆弱的状态，那么焊接结构的残余应力则会对构件的静力强度产生极大的影响。而若零部件的静力强度受到较大的破坏时，就可能时零部件发生一些不规则变形，这种影响对精密部件的性能破坏非常大，因为高精度零部件的性能很大程度上表现在规格上，而焊接结构残留应力恰恰会破坏它的规格。总的来说，焊接结构的残余应力对构件静力强度的影响也是构件质量的重大影响因素之一。所以，如果我们想保证构件的静力强度，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。

1.4残余应力对零部件变形与刚度的影响分析

每一张零部件都有自己特定的形态结构，其完整的形态结构也是它发挥功能的基础。当零部件受到较大外力的影响时，就会发生物理形态上的形变，包括外形、长短、厚度、均匀程度等。而一个零部件受到焊接结构的残余应力的重大影响时，那个构件会出现极其影响构件质量的问题，也即我们常见的构件变形问题。而且，如果焊接结构残余应力的作用大小超过了零部件所能承受的最大限度时，超过了其最大屈服程度，零部件的变形很可能非常大，以至于无法恢复，造成其使用功能完全丧失。除此之外，零部件的刚度也会受到焊接残余应力的影响。其原因在于残余应力导致零部件内部发生部分膨胀时，导致这部分结构“疏松”，使得它的硬度和密度发生改变，进而改变了它的刚度，大大地影响构件的质量。因此，如果想使零部件不易变形且保持原有刚度的话，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。

1.5残余应力对零部件裂缝的影响分析

根据研究，很多零部件的表面形态是比较脆弱的。在沾染腐蚀性化学药品或者受到挤压时，很可能会产生一些裂缝。而且，在零部件的加工时，因切削、铣加工时往往会有一些微小的褶皱和裂缝。在一般情况下，这些“小问题”并不会在功能上对零部件造成大的影响。但是，如果零部件需要接受焊接加工时，这个“小问题”就变成了“大问题了”。也就是说，残余应力引起的零件膨胀问题会致使小裂缝变成大裂缝，即引起零部件的开裂。而且焊接所使用的焊棒为了提高焊接质量，往往会添加一些化学助剂，而这些化学一般具有腐蚀性，这无疑又加剧了焊接所产生的裂缝问题。总而言之，。焊接结构的残余应力对构件开裂的影响极大地影响了构件的后期使用。所以，如果我们想保证构件不发生开裂现象，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。

2.减小焊接结构残余应力的一些措施

2.1在焊接加工时合理设置焊接量

其实，很多零部件在进行焊接加工之前，已经基本上成型了，不需要在焊接方面进行过深的加工。因此，在对焊接加工程序进行设计时，务必做到科学化和合理化。首先，在满足零部件加工性能的条件下，我们应该尽量地减少焊缝的数量和尺寸。焊接焊缝的数量越少，尺寸越小，加工过程所产生的残余应力就越小，对零部件造成的不良影响也就越小；其次，避免出现焊缝过分的集中或多方向的焊缝相交于一点的情况，其原因在于一旦发生这种情况，残余应力会集中作用于某一点，对零部件造成不可修复的破坏；再者，我们应该使焊缝尽可能对称布置，以达到连接过渡尽量平滑的目的，避免截面突变和应力集中现象；最后，焊接的搭接长度应大于加工零部件局部厚度（一般是焊接点的厚度）数倍（4～6倍左右），同时尽量避免仰焊。

2.2改进焊接工艺

首先，我们应该采用适当的焊接顺序和方向，以做好消除焊接结构的残余应力的基础工作。因为，焊接的顺序与方向在很大程度上能够影响到焊接残余应力的大小，这一步骤是减小残余应力的基础步骤，务必要重视；其次，我们应当先焊收缩量较大的焊缝，然后再焊收缩量较小的焊缝，同时应该先焊错开的短焊缝，然后再焊直通的长焊缝，以达到使焊缝有比较大的横向收缩余地的目的；再者，焊接焊缝时应遵循“先大后小”的原则，以利于残余应力的释放，同时采取反变形措施，用以抵消残余应力引起的正变形；最后，在焊接完成后，可以将零部件整件进行加热，使焊接处温度同周围的温差缩小，从而减小残余应力。

2.3实用新型的焊接技术

新型的焊接技术如二氧化碳保护焊、氩弧焊等在焊接过程中能够产生一层气体保护层，能够保护焊接零部件不被氧化，同时可以大大减小焊接对焊缝周围部分的影响，在较大程度上也能减小残余应力。除此之外，冷焊技术也是一种新式焊接技术，它的出现几乎能够完全消除焊接残余应力，目前已在推广应用中。

3.结语

除此之外，对零部件进行先期预热，再进行焊接作业，也是减小残余应力的良策，因此也可以适当的运用。 [科]

【参考文献】

[1]陈洪林.焊接结构的残余应力的研究[J].科技创新与应用，2013（18）：34-40.

[2]路浩，刘雪松，孟立春等.高速列车车体服役状态残余应力超声波[J].焊接学报，2009（4）：44-48.