如何消除焊接殘余應力

陳益銘

摘 要 在對一些部件進行焊接時，由于某些原因導致的殘余應力會嚴重影響部件的承載能力和加工的精度性。不僅如此，焊接技術的差距導致的焊接不完美，還將會浪費掉很大一部分的人力、物力、財力等。所以，如何消除焊接的殘余應力，將會是焊接技術領域極其重要的研究。本文通過對焊接殘余應力的產生和怎樣消除進行研究和分析，給出幾種重要的產生原因的同時，還將會給出相應的消除對策。

關鍵詞 焊接；殘余應力；消除方法

中圖分類號 TG4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2015）145-0036-02

隨著科學技術的發展，焊接技術也已經發展的越來越普及。焊接技術在對其他材料進行加工的過程中，具備著節省原材料、擁有很好地封閉性、工序簡單等優點，而且還能夠制造出很多其它工藝技術不能完成的任務。但是，焊接也存在著一些問題，其中最主要的就是由于在焊接過程中出現溫度場而受熱應變形成的殘余應力。在日常調查中發現，焊接殘余應力會在很大程度上影響部件的承載力，所以，必須要想辦法消除焊接殘余應力，提高部件焊接精度的同時，還能增加部件的承載力。

1 焊接殘余應力產生的原因

1.1 塑性壓縮造成的縱向殘余應力

在焊接的過程中，由于溫度上的差距，焊縫及其周圍都會受到因熱膨脹和周圍溫度較低的金屬的拘束，從而產生壓縮塑性應變。當焊接完成之后，溫度驟減，母性材料就會制約著焊縫和近縫區域之間的收縮，這就在很大程度上導致了殘余應力的存在。并且殘余應力的范圍將會和高溫環境下造成的塑性范圍相一致，彈性拉伸區域和殘余拉應力也是相對應的。從這些都可以看出來，塑性壓縮就是造成焊接過程中縱向殘余應力的主要

原因。

1.2 塑性壓縮的應變導致的橫向殘余應力

塑性壓縮的應變，除了能夠說成是造成縱向殘余應力的主要原因，同時也能理解為造成橫向殘余應力的原因之一，但是造成橫向殘余應力的主要原因是母材的收縮。當對母材進行焊接時，母材會出現膨脹現象，并且當焊接縫的金屬材料逐漸形成固體時，膨脹中的母材必定會受到壓縮，這種塑性壓縮是橫向收縮中的重要的一部分，焊縫自身那一小部分收縮僅僅只占到橫向收縮的十分之一左右。主要的橫向收縮那部分存在于焊接縫沿著焊縫軸線進行切割后的中心區域，那才是拉應力中的橫向應力。

2 降低殘余應力的對策

2.1 科學、合理的編排焊接順序

這樣做的主要原因就是要使得焊接時盡可能的讓焊縫自由的收縮，減少更多的外界影響因素。在這種合理的順序下，首先就是要焊一處收縮量相對比較大的焊接縫，保證焊接縫在自身結構總體剛性相對較弱的情況下能夠自由的收縮，減少其他物質的限制。接下來就是焊接一處互相錯開、互不影響的焊接縫，最后就是焊接直通的焊接縫。上面說的只是一般簡單的焊接，如果遇到相對較麻煩的焊接，比如交叉焊縫接頭，那就要按照一定的順序來進行焊接。按照受力的大小進行先后焊接，受力比較大的先進行焊接，這樣合理的安排焊接順序，可以盡可能地避免各處焊縫受力不均的現象出現，確保了焊縫的科學、合理、有效的分布。

2.2 采用預熱緩冷法

采用該種方法主要就是為了減小焊接應力，因為在焊接過程中，焊件自身會形成較大的溫差，溫差越大，焊接的應力就會越大。采用預熱緩冷的方法，能夠一定程度上減小焊件的溫差，從而減小焊接的應力。采用這種方法，一般情況下都會在焊接之前將焊件放入火爐中進行加熱，在焊接的時候，要防止焊件迅速降溫，進而降低焊縫和焊件其他部位之間的溫差，讓兩者之間膨脹系數相差不大，降低焊件的應力。倘若不能夠將整個焊件進行預熱，也可以讓焊縫附近預熱，一樣不會影響該種方法的效果。但是，在預熱的過程中，一定要保證均勻預熱，溫度穩定上升。在焊接完成之后，如果焊接部位的溫度沒達到600℃，要將其加熱到那個溫度，在進行緩冷的步驟。

2.3 錘擊法

在經過試驗后的效果顯示，焊接后的焊件經過一定程度上的錘擊之后，焊縫附近殘余的應力會降低。在那些離焊縫比較遠的部位，經過錘擊后，殘余的應力依然存在。但是，如果沖擊能量不斷地增加，那么焊件的殘余應力會不斷地減小，這種減小到了一定的程度時，也會減緩殘余應力減小的速度?？傊?，錘擊法對于減小殘余應力是一種確實可行而且效果明顯的方法，值得推廣。

3 消除殘余應力的方法

3.1 熱處理的方法

這種方法對于焊件的性能有著至關重要的作用，它不僅可以消除殘余應力，還能夠改進焊接接頭的性能。熱處理方法就是在焊件還處在高溫條件下的時候，去降低屈服點和蠕變現象，從而實現去除殘余應力的一種方法。這種方法分為兩個步驟，首先就是總體熱處理，其次是局部熱處理。在總體熱處理的過程中，加熱的溫度和保溫時間和加熱以及冷卻速度都會影響到去除焊接殘余應力的效果。這幾個因素里面，最重要的也是最難以控制的就是保溫時間，因為它的計算受到很多因素的影響，而且知道時間也要通過人工去控制，這就造成了很大的不確定性和產生誤差的可能。一般情況下，一毫米厚就要一到兩分鐘，但是，時間又要被控制在30分鐘到3小時之間。在局部熱處理的過程中，一般只能降低殘余應力的峰值，而不能直接消除殘余應力。但是對于消除殘余應力的過程起到了無可替代的作用，所以局部熱處理還是需要的一個步驟。在采用熱處理的方法時，加熱的方法主要有電加熱和火加熱兩種，而且消除殘余應力的效果和加熱范圍的關系很大，所以一般需要大范圍的加熱才能達到較好的效果。

3.2 加載的方法

加載的方法，目的就是為了使得焊接縫周圍形成的壓縮塑性變形和焊縫周圍的拉伸塑性變形兩者形成抵消，從而讓應力保持松弛狀態。它主要就是采用各種方法，在部件上制造一定的拉伸應力，讓這個應力來完成與壓縮塑性變形產生的力進行抵消。在如何形成這種拉伸應力的方法上有兩種：第一就是機械拉伸的方法，第二則是溫差拉伸的方法。機械拉伸法就是對部件進行加載荷處理，讓焊縫區域形成塑性拉伸，這個塑性拉伸形成的力將會和已經存在的那個壓縮塑變應力達到抵消的作用，從而消除焊接過程中形成的殘余應力。溫差拉伸法，主要就是利用了受熱膨脹的原理，來達到消除殘余應力的方法。它的做法過程，顧名思義就是利用溫度差形成的力，讓焊縫兩側的金屬通過受熱膨脹后，往焊縫區進行拉伸，逐漸的形成拉伸應力，最后和那壓縮塑變應力進行抵消作用。這兩種拉伸方法都是采用抵消的原則，從而達到減小甚至消除殘余應力的目的。

4 結論

在每次焊接工作之前，一定要將原件的性質以及能承受的焊接條件進行深度的考察、研究，合理、科學的制定焊接技術的安排。通過已經考察好的東西，選擇合理、有效的焊接工藝程序，采取有效的措施，最終得到一個較好的焊接結果。在達到相關焊接質量條件的同時，也在不斷的提高焊接技術，對以后的焊接技術領域做好一步一步的鋪墊。

參考文獻

[1]汪建華，陸皓.預測焊接變形的殘余塑性應變有限元方法[J].上海交通大學學報，2010，31（4）：53-56.

[2]萬春輝，李朝陽，劉向敏，等.振動時效工藝在消除焊接殘余應力中的應用[J].機械產品與科技，2011（4）：

23-25.

[3]尹桂全，高甲生，洪水昌，等.低碳Ti-Nb系列鋼焊后顯微組織和性能[J].焊接學報，2013，22（2）：71-74.