关于焊接残余应力消除原理的探讨
2021-12-28
（山西机电职业技术学院，山西 长治 046011）
0 引言
在对待相关复杂零件与设备装置的构件塑造中，焊接是一种最为常见，并且十分具有实用性的加工方法。焊接构件构造具有生产时间短、使用周期长、操作简便与封闭牢固性等许多优点，但在焊接操作的过程中，经常会有焊接残余应力存在严重制约焊接产品的使用周期与稳固性，其产生的原因是因为在焊接构件过程中，由于焊接环境的温度差异形成一个不均衡的温度圈，导致焊接材质发生了内变，即改变了构件的塑形应变能力与热度应变能力，从而形成了焊接残余应力。关于焊接残余应力的消除方法从产生之初便一直是相关行业所关注的重点话题，根据焊接残余应力的形成条件不难发现，解决焊接形成的压缩塑性变形就能克服残余应力的产生。
1 焊接残余应力的消除方法
1.1 对焊接残余应力使用热处理消除法
一般来说，处于高温环境的焊接材料会由于温度的提高而内部材料变得逐渐软化，形成脆变现象与高温度阈值下降的状况出现，在面对以上这种情况，焊接材料的残余应力有一定程度的下降，并且在此时，如果通过热能软化材料对零件的接头部分进行重新加工焊接，能逐渐完善焊接结构的稳定性，提高构件的使用周期。在进行热处理焊接的方法分为两种，即局部高温热度处理与全面高温热度处理[1]。
1.2 局部高温热度处理
在面对焊接材料零件处于峰值过高的情况时，采用局部高温热度处理能够较快解决残余应力的存在，但其适用范围较窄，只能针对特殊情况进行处理分析。有关局部高温热度处理方式大概分为火焰灼烧加热处理、电力阻流熔炉加热处理、热流感应器加热处理以及红外线加热处理等方式。按照上述方式，进行焊接残余应力的消除效果，其关键之点在于高温热度加热区的温度高低与覆盖范围大小有关。
1.3 全面高温热度处理
在面对焊接工作时一个整体的零件结构或者工程时，应该根据焊接残余应力的分布位置做出架构图，根据架构图中的零件厚度与大小进行高温热度的时间进行准确估计，例如，在面对以毫米为计量单位的构件板块时，按照1mm 高温热度处理1.5min，最少进行为期30min 高温热度处理；如果其覆盖范围过于庞大，则最大高温热度阈值时间不宜超过3h。在对整体焊接残余应力的消除工作时，根据存留的残余应力率先进行全面协调的高温处理，同时根据架构图中所描述最为严重的残余应力地区进行专门增温，例如,在钛合金与不锈钢的焊接残余应力消除工作中，应该将全面温度提升至580℃；在普通铁质的残余应力消除中，将温度提升至600℃。遵循上述高温热度消除法，能够最大程度消除残余应力，但具体结果还是要根据高温热度处理的面积范围、温度提升的方式、焊接完成后的冷却工作与材料保温的时间长短有关。
2 对焊接残余应力使用外力加载消除法
针对焊接过程中形成的焊接缝隙，常常导致零件结构不够紧密，所以面对这种焊接残余应力的消除方式应该是，对焊接构件进行外物力量的施加，使得焊接构件进行内外结构的拉伸，将形成的焊接缝隙进行融合处理，即通过装置拉伸、温差拉伸、气压液压等方式施加应力，对焊接零件进行压合重造，从而达到成功消除焊接残余应力的目的[2]。
2.1 机械拉伸法
通过对焊接结构的观察之后，确定进行焊接的部位，对焊接区域使用机械装置进行压力压制，使得焊接内部的伸缩变形区得到进一步的压缩，从而可塑性大大提高，引起残余应力的降低。其次，在焊接材料的残余应力达到可是进行消除的标准，应当以此时的消除阈值为准，将拉伸塑性转化为弹性塑性，此时，可以根据数据信息统计可知，焊接残余应力有一定程度上的减弱。在人民出版社的《焊接结构》一书中这样描述：“经过拉伸的加载机械，能够使得焊接应力在外力的作用下产生明显的拉伸塑性变化，并且拉伸方向能够于最初焊接材料的拉伸塑性方向呈反向生长”，二者相对而立，在零件内部由于焊缝形成的残余应力相互抵消，大幅度提高加载应力，即能够快速消除存留在机械内部的残余应力。
2.2 低应力无变形拉伸法
在面临焊接材料处于长期动态的情况下，首先要针对焊接的首尾进行拉伸压缩，即通过对焊接材料的两端进行率先焊接处理，因为在焊接金属的两端由于高温的作用，会形成大范围的温度上升，焊接金属膨胀扩大，带动存在于焊接缝隙之间的残余应力的压缩，与原有拉伸应力相互联合叠加，使得焊接材料的质度低于高温加工的材料质度，形成屈服拉伸压力。在这一过程中，当残留的残余应力能够融合呈屈服拉伸应力时就说明形成了整个过程的焊接残余应力，也就是焊接残余应力得到了减少；当拉伸应变压力大于焊接应力时，就说明焊接应力在焊缝中留存的越来越多，残余应力增多；当拉伸应变压力与焊接应力相等时，就说明此时达到了全部焊接应力都得到了清除。从上述分析可知，通过低应力无变形拉伸法虽然能在一定程度上消除残余应力的存在，但从大的范围来看，依旧只能减缓焊接应力的产生，并且在拉伸过程中会形成新的残余应力，总而言之，该方法的适用范围与后果导致此类消除方法具有局限性。
2.3 滚压法
对焊接金属进行滚压之前，应当将原有的焊接金属的弹性数值设为εs，其中焊接残余应力设为σs，在利用滚压法进行焊接金属工程时，由于滚压形成的拉伸弹性会引起金属可塑性能的增加与变形力度的加大，所以经历滚压之后的弹性应力变化值为εs-εp，残余应力值为E(εs-εp)，根据所得出的结论可以知道，E(εs-εp)
2.4 温差拉伸法
由北京机械工业出版社发行的《机械工程手册》中这样表述：“当焊接金属的首尾两端受到外部高温加热时，会导致两端金属受热过度膨胀，高温部位向低温部位进行焊缝拉伸转移，从而产生的拉伸变形应力使得整体区域的可塑性大大提高，用于抵消原本残留的压缩变形之处，以便消除残余应力。”通过上述文献论证发现，在金属两端进行温度的增加处理后，在其他条件不变的情况下，能够使得温度较低的金属部位收缩，温度较高的地方金属呈现膨胀，对其中焊接过程中形成的焊缝进行物色处理，并且压缩方向时沿着金属加热的纵向进行压缩处理，使得其中的残余应力有所降低。
3 焊接残余应力的消除原理
据统计，当进行金属焊接作业时，其中的相对压缩原理变形与金属的可塑性不会在焊缝中产生，从而塑造有效的拉伸应力与可塑性的变形，在参与应力消除原理中，由于塑性应力变化的产生以致于弹性应力变化进行相互抵消。一般来说，在焊接金属的焊缝中通常会有拉伸塑形应变在其中产生，产生的应力能够有效地消除残余应力。此外，还有一种观点认为，上述焊接残余应力的描述并不十分准确，对拉伸塑性应变与残余应力的抵消的原理解释不全面[4]。
1）可塑性应力变化时不可逆转、不可恢复的变化，弹性应力变化则是可逆转、可恢复处理的变化，二者具有完全不同的性质。当没有外物应力的基础上，由于焊接构件中的可塑性应力分布不均衡，会与弹性应力在不同环境中产生数量与质量的变化，因此，二者消除残余应力的抵消理论是难以实现的，不够全面。
2）在对焊接残余应力的消除讨论中，通过拉伸塑性应力变化差异的产生，就能够使其消除焊接残余应力是不切实际以及缺少理论支撑。在一个弹性应力变化弱于拉伸塑性应力变化时，存在经过焊接形成的金属质量的增加，也变相扩大了焊接构件的体积，因此这方面理论支撑不够实际。在进行弹性应力屈服拉伸应力变化与可塑性应力变化值中，存在焊接构件原有的应力变化，在重新评估后依旧会存在残余应力，只能减少残余应力，而不能消除。
4 结语
针对消除焊接残余应力，首先要根据残余应力形成的条件与环境进行入手，即通过热度应力变化、相对金属部位应力变化以及拉伸可塑性能等方面出发，根据面临的不同环境与金属进行选择消除焊接残余应力的方式，通过热量处理使得焊接形成的缝隙构件进行中和，再对其独有应力变化的源头进行焊接构件的自我应力消除。在常规焊缝形成过程中，由于金属缝隙具有可塑性，并且能够在一定条件下完成伸缩性能的改变，从而利用上述原理进行残余应力的消除工作，实现焊接残余应力的消除。
