焊接残余应力的控制与消除方法

焊接残余应力的控制与消除方法

王艳春 吕永东 赵海龙 李朋朋

中建钢构天津有限公司  天津市西青区  300383

摘要：焊接作为一种重要的连接工艺，在工程结构制造中发挥着不可或缺的作用。当焊接高强度材料或大型复杂结构时，焊接残余应力的影响更为显著。这就促使我们必须对焊接残余应力的控制与消除方法进行探索，以提高焊接结构的性能，满足现代工程对结构质量和安全性日益增长的要求。基于此，以下对焊接残余应力的控制与消除方法进行了探讨，以供参考。

关键词：焊接残余应力；控制与消除；方法

引言

在现代焊接结构制造中，焊接残余应力是一个不可忽视的问题。随着工业技术的不断发展，焊接被广泛应用于众多领域，焊接过程中，不均匀的加热和冷却会在焊件内部产生残余应力。这些残余应力可能导致焊接结构的变形、降低结构的疲劳强度，甚至引发裂纹的产生，严重影响焊接结构的质量和使用寿命。因此，深入研究焊接残余应力的控制与消除方法具有重要的现实意义，它是确保焊接结构可靠性和安全性的关键环节。

1焊接残余应力的产生原因

1.1不均匀加热与冷却

在焊接过程中，不均匀加热与冷却是产生焊接残余应力的一个主要原因。当进行焊接操作时，焊缝区域被强烈加热，温度迅速升高，而远离焊缝的区域温度相对较低。这种温度差异导致材料的热膨胀程度不同。焊缝附近的材料受热膨胀受到周围低温区域材料的约束，产生压应力；而冷却时，焊缝区域先冷却收缩，又受到周围材料的阻碍，从而产生拉应力。它会引起焊接结构的变形。由于残余应力的存在，结构内部的应力分布不均衡，可能导致焊件发生弯曲、扭曲等变形现象。

1.2材料的相变

材料在焊接过程中的相变也是产生焊接残余应力的重要因素。许多金属材料在焊接热循环的作用下会发生相变，材料相变产生的残余应力带来的危害不容小觑。它会导致焊接接头的微观组织不均匀。由于相变应力的存在，可能使焊接接头处的组织分布出现异常，如产生粗大的晶粒或者不均匀的相结构。这会影响焊接接头的力学性能在建筑结构中的高强钢焊接接头，如果因为相变产生的残余应力导致强度降低，可能会影响整个建筑结构的安全性，在承受较大载荷时容易发生破坏。

1.3外部约束

在焊接时，焊件往往受到外部夹具、装配结构或者自身结构形状等因素的约束。当焊件在焊接过程中由于热膨胀或相变而产生体积变化时，这种外部约束会阻止其自由变形，从而产生应力。外部约束导致的残余应力会带来一系列不良影响。会增加焊接结构的脆性断裂风险。由于外部约束产生的残余应力使得结构内部应力状态复杂，当结构受到外部冲击载荷或者在低温环境下工作时，材料的韧性降低，而残余应力与外加应力共同作用，容易使结构达到脆性断裂的临界状态。

2焊接残余应力的控制策略

2.1优化焊接工艺参数

优化焊接工艺参数是控制焊接残余应力的重要策略之一。焊接电流、电压和焊接速度等参数直接影响焊接过程中的热输入。合理调整这些参数，能够减少不均匀加热和冷却带来的残余应力。这样在冷却过程中，各部分收缩相对均匀，从而降低残余应力的产生。同时，合适的电压能保证电弧稳定，有助于形成均匀的焊缝，避免因电弧不稳定导致的局部过热或过冷现象，进而减少残余应力。通过精确控制焊接工艺参数，可以在源头上对焊接残余应力进行有效控制。

2.2采用合理的焊接顺序

采用合理的焊接顺序对控制焊接残余应力意义重大。对于复杂结构的焊件，不同的焊接顺序会导致不同的应力分布。在焊接大型框架结构时，采用对称焊接的顺序，能使焊件在焊接过程中两侧受热均匀，应力相互抵消。如果先集中焊接一侧，会使这一侧产生较大的变形和残余应力，而另一侧在后续焊接时会受到更大的约束，进一步增加残余应力。又如在焊接长焊缝时，采用分段退焊的方法，每段焊缝的收缩都能相对自由，避免了连续焊接造成的应力累积。合理的焊接顺序能够将焊接残余应力分散，降低应力集中程度，提高焊接结构的稳定性。

2.3进行焊后热处理

焊后热处理是控制焊接残余应力的有效手段。常见的焊后热处理方法有回火、退火等。回火处理可以降低焊接接头的硬度，提高其韧性，同时有效地消除残余应力。在回火过程中，焊件被加热到一定温度，原子获得足够的能量进行扩散，使内部应力得到松弛。退火处理则能使焊件整体的应力得到释放，通过将焊件加热到较高温度并缓慢冷却，使材料内部的晶格结构重新排列，从而消除焊接过程中产生的残余应力，提高焊接结构的尺寸稳定性和使用寿命。

3焊接残余应力的消除方法

3.1热处理法

热处理法是消除焊接残余应力的常用且有效的方法。它主要通过改变材料的微观结构来实现应力的消除。常见的热处理方式包括退火、回火等。退火处理时，焊件被加热到较高的温度，一般接近材料的再结晶温度，然后缓慢冷却。在这个过程中，材料内部的原子获得足够的能量，使得晶格发生重新排列。由于焊接产生的残余应力会使晶格发生畸变，通过退火时晶格的重新排列，畸变得到修复，应力也就随之消除。回火处理主要用于改善焊接接头的性能并消除残余应力。它是将焊件加热到低于相变点的某一温度范围，然后进行冷却。

3.2机械法

机械法消除焊接残余应力是通过施加外部机械力来改变焊件内部的应力状态。其中一种机械法是过载拉伸法。这种方法是对焊件施加一个大于其屈服强度的拉伸载荷。当施加这样的载荷时，焊件内部原本存在的残余拉应力区域会发生屈服变形，应力得到重新分布。在卸载后，焊件内部的残余应力得到降低。将钢梁固定在拉伸设备上，施加适当的过载拉力，经过这样的处理后，钢梁内部的残余应力明显减小，提高了结构在使用过程中的稳定性和安全性。还有一种是锤击法。使用小锤对焊缝及其附近区域进行敲击。锤击产生的局部塑性变形能够使焊接区域的残余应力得到松弛。在锤击过程中，焊缝表面的金属会发生微小的塑性变形，这种变形会调整内部应力的分布。

3.3喷丸处理

喷丸处理是一种利用高速弹丸冲击焊件表面来消除焊接残余应力的方法。在喷丸处理过程中，弹丸以高速撞击焊件表面，使表面层产生塑性变形。这种塑性变形会在表面层形成压应力，而焊接残余应力多为拉应力，通过表面层压应力的引入，与内部的拉应力相互抵消，从而达到消除残余应力的目的。通过喷丸处理，在部件表面形成一层均匀的压应力层，不仅能消除焊接残余应力，还能提高部件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能。喷丸处理还可以细化焊件表面的晶粒结构。高速弹丸的冲击会使表面晶粒破碎并重新结晶，形成更细小的晶粒。这种细化的晶粒结构有助于提高焊件表面的硬度和强度，进一步增强焊件的综合性能，同时也有助于分散和消除焊接残余应力，提高焊接结构的整体质量和使用寿命。

结束语

焊接残余应力的控制与消除是焊接工艺中的重要研究内容。合理的工艺控制可以在一定程度上控制残余应力的产生。这不仅有助于提高焊接结构的尺寸精度，防止变形，还能增强结构的承载能力和疲劳寿命。对焊接残余应力的有效处理，将推动焊接技术在更多高端制造领域的广泛应用，保障焊接结构在各种工况下的可靠性和安全性。

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