焊接应力产生原因及去应力方法

赵书亮,李伦,尚超

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：焊接从本质上来说是一种融化和再凝固的工艺过程，因凝固时间不同，导致先后凝固部分相互作用而产生了内应力。这种内应力再焊接制造过程中往往带来的都是不好的质量结果，所以我们需要分析其产生原因，针对性采取措施减少焊接应力以及消除焊接应力。

关键词：焊接应力；去应力

引言

焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生

作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。所谓焊接瞬时应力是指在焊接

的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。

1 产生焊接残余应力的原因

之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热

是不均匀的。按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。

2 减少焊接应力的措施

焊接是产生焊接残余应力的根本原因，减少焊缝数量和尺寸能有效减少焊接量，通过控制焊接量可有效减少应力。在同等焊接强度下，焊缝尺寸较小的，其焊接残余应力较小。应尽量避免多条焊缝在同一部位集中，焊缝距离过近时，焊缝间会产生耦合，形成复杂残余应力场，焊缝间距离一般应大于3倍板厚且不小于100mm。应尽量采用刚度较小的焊接接头形式，其结构拘束度小，能够通过变形释放焊接应力，残余应力较小。

结构组件拆分、焊前预热、焊接参数设置、焊接顺序等对焊接应力影响较大。将结构件合理地拆分成若干组件，尽量在组件上完成焊缝焊接，同时减少焊接时的焊缝拘束度，由于组件刚度小，结构能够自由变形，可通过焊接变形减少残余应力。焊前预热可减少焊接时的温度梯度与冷却速度，使得不同部位焊接变形的差异变小，能够有效降低焊接残余应力。预热温度根据金属材料、结构刚性、散热情况的不同而异，温差越小，越能使焊缝区与结构整体尽可能均匀地冷却，从而减少内应力。对于淬硬倾向较大的材料、脆性材料或刚性较大的焊件，在焊接或焊补时常用此法。焊接参数是影响热输入的重要因素，小参数焊接时热输入量小，能够减少塑性变形区，进而降低焊接残余应力。合理的焊接顺序应保证焊缝纵向和横向收缩均能比较自由，能够通过控制焊接变形减少焊接应力。在焊接时现场条件允许的条件下，尽量采取以下措施，以有效减小焊接残余应力：先焊收缩量大的接头（对接接头），后焊收缩量小的接头（搭接、角接接头）；先焊错开的短焊缝，后焊直线长焊缝或平行焊缝；尽量同时同方向焊接；从焊接结构中心向外焊接等。

3 消除焊接应力的措施

热处理法消除残余应力的基本原理是把工件加热到略低于再结晶开始温度，

保温后缓慢冷却。在加热保温过程中由于温度升高，金属原子运动能力上升，使

工件中晶格缺陷减少，导致晶格弹性畸变能量降低，使得部分或全部的变形回复

到初始位置，从而达到消除焊接残余应力的目的。热处理法在消除应力的同时，

通过均化组织能够降低焊接热影响区的硬度，同时也可消除焊缝中的氢，提高焊

接件的抗腐蚀能力、脆性断裂强度。但热处理局部温度过高会造成材料屈服强度下降，甚至可能出现再热脆化和再热裂纹。热处理时效温度应低于材料的最终热处理温度，否则会严重降低材料性能。

超声波冲击法消除残余应力的基本原理是以大功率超声波设备为动力源，推

动冲击工具以20000次/s以上的频率冲击工件表面，使工件发生塑性变形，在工件表面形成压应力强化作用。该方法使用方便、成本低、效率高、无污染，目前在钢结构焊件中运用十分广泛。该方法还可提高焊接处疲劳强度，抑制焊接裂纹，降低焊接区域的应力集中，稳定构件尺寸。该方法主要用来处理焊缝区域，尤其是焊接缺陷最多的焊趾部位，裂纹的扩展及应力集中区都集中在焊趾处。而超声波冲击利用超声波高频率、高能量的特点，瞬间提供的加速度达到重力加速度的上万倍，带动冲击针，对焊缝焊趾处实行敲击，实现焊趾处的残余压应力，同时塑性变形会钝化尖端部位，闭合微观裂纹，改善焊趾处的焊接缺陷。超声波冲击强化可使钢制焊接接头疲劳强度提高60%～180%，寿命延长10～135倍。

喷丸处理法是将高速弹丸喷射到工件表面，使工件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层。强化层内形成较高的残余应力，由于工件表面压应力的存

在，从而提高工件的疲劳强度。有研究表明，喷丸处理法对材料的抗拉强度没有明显影响，可使延伸率略有降低、表面硬度有所增高、冲击韧度略有下降，但能大幅提高循环载荷作用下金属的疲劳强度和耐应力腐蚀能力。不过喷丸处理法会使材料表面的显微组织结构发生变化，受喷表面变得粗糙。

结束语

经过对焊接残余应力的研究我们可以发现，残余应力对于焊件的刚度、焊件的受压杆件稳定性、静载强度、焊件的疲劳强度都产生影响。为了提高工程的质量，我们必须要采取相应的措施来将残余应力对焊接结构的影响降到最低，避免焊件发生变形或者断裂现象的出现，提高焊接质量和焊接水平。

参考文献

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[2]葛明兰，鲁家晟.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].福建建筑，2017（07）：50-52.