浅析消除焊接残余应力的焊接措施

浅析消除焊接残余应力的焊接措施

孙国斌王岩王建中

中车齐齐哈尔车辆有限公司黑龙江齐齐哈尔161002

摘要：构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。本文就此客观规律，分析如何消除焊接残余应力的焊接措施。

关键词：焊接应力；应力变形；焊接措施

在每次焊接工作之前，一定要将原件的性质以及能承受的焊接条件进行深度的考察、研究，合理、科学的制定焊接技术的安排。通过已经考察好的东西，选择合理、有效的焊接工艺程序，采取有效的措施，最终得到一个较好的焊接结果。在达到相关焊接质量条件的同时，也在不断的提高焊接技术，对以后的焊接技术领域做好进一步的铺垫。

1焊接残余应力产生的原因

1.1塑性压缩造成的纵向残余应力

在焊接的过程中，由于温度上的差距，焊缝及其周围都会受到因热膨胀和周围温度较低的金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。当焊接完成之后，温度骤减，母性材料就会制约着焊缝和近缝区域之间的收缩，这就在很大程度上导致了残余应力的存在。并且残余应力的范围将会和高温环境下造成的塑性范围相一致，弹性拉伸区域和残余拉应力也是相对应的。从这些都可以看出来，塑性压缩就是造成焊接过程中纵向残余应力的主要原因。

1.2塑性压缩的应变导致的横向残余应力

塑性压缩的应变，除了能够说成是造成纵向残余应力的主要原因，同时也能理解为造成横向残余应力的原因之一，但是造成横向残余应力的主要原因是母材的收缩。当对母材进行焊接时，母材会出现膨胀现象，并且当焊接缝的金属材料逐渐形成固体时，膨胀中的母材必定会受到压缩，这种塑性压缩是横向收缩中的重要的一部分，焊缝自身那一小部分收缩仅仅只占到横向收缩的十分之一左右。主要的横向收缩那部分存在于焊接缝沿着焊缝轴线进行切割后的中心区域，那才是拉应力中的横向应力。

2降低残余应力的对策

2.1科学、合理的编排焊接顺序

这样做的主要原因就是要使得焊接时尽可能的让焊缝自由的收缩，减少更多的外界影响因素。在这种合理的顺序下，首先就是要焊一处收缩量相对比较大的焊接缝，保证焊接缝在自身结构总体刚性相对较弱的情况下能够自由的收缩，减少其他物质的限制。接下来就是焊接一处互相错开、互不影响的焊接缝，最后就是焊接直通的焊接缝。上面说的只是一般简单的焊接，如果遇到相对较麻烦的焊接，比如交叉焊缝接头，那就要按照一定的顺序来进行焊接。按照受力的大小进行先后焊接，受力比较大的先进行焊接，这样合理的安排焊接顺序，可以尽可能地避免各处焊缝受力不均的现象出现，确保了焊缝的科学、合理、有效的分布。

2.2采用预热缓冷法

采用该种方法主要就是为了减小焊接应力，因为在焊接过程中，焊件自身会形成较大的温差，温差越大，焊接的应力就会越大。采用预热缓冷的方法，能够一定程度上减小焊件的温差，从而减小焊接的应力。采用这种方法，一般情况下都会在焊接之前将焊件放入火炉中进行加热，在焊接的时候，要防止焊件迅速降温，进而降低焊缝和焊件其他部位之间的温差，让两者之间膨胀系数相差不大，降低焊件的应力。倘若不能够将整个焊件进行预热，也可以让焊缝附近预热，一样不会影响该种方法的效果。但是，在预热的过程中，一定要保证均匀预热，温度稳定上升。在焊接完成之后，如果焊接部位的温度没达到600℃，要将其加热到那个温度，在进行缓冷的步骤。

2.3锤击法

在经过试验后的效果显示，焊接后的焊件经过一定程度上的锤击之后，焊缝附近残余的应力会降低。在那些离焊缝比较远的部位，经过锤击后，残余的应力依然存在。但是，如果冲击能量不断地增加，那么焊件的残余应力会不断地减小，这种减小到了一定的程度时，也会减缓残余应力减小的速度。总之，锤击法对于减小残余应力是一种确实可行而且效果明显的方法，值得推广。

3消除残余应力的方法

3.1VSR振动时效法

振动时效的原理就是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力，使其产生共振，从而使工件获得一定的振动能量，使工件内部产生微观的塑性变形，从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态，晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎，使得残余应力得以被消除和均化。振动时效法具有周期短、效率高、无污染的特点，且不受工件尺寸、形状、重量等限制，已经过大量的工程实践证明，对消除工件应力是有明显效果的。

优点：降低工件内残余应力（峰值）30%-80%，与传统的热时效（TSR）相当，工件无氧化脱碳现象，无需清理氧化皮，减少了辅助工时。

与TSR（热时效）相比提高了工件抗载荷变形能力，VSR工艺的应用使工件抗静载变形能力提高30%以上，抗动载变形能力提高1-3倍多。是目前超大型结构件和多种材料组合的结构件唯一时效方法，VSR还适用于二次时效（一般在半精加工后），是唯一不受场地、环境、工序和工件形状限制的处理方法。运行费用低，VSR时效振动工艺的耗能仅为TSR热时效的1-2％，需人工0.1-0.2工时/吨，可有效降低工程施工成本。

缺点：对残余应力的消减更多意义上是“削峰平谷”，对内部的平均残余应力并没有过多消减。

VSR时效振动工艺设备：主要由激振器，电脑控制器，传感器和打印输出等几部分组成。设备是将带有偏心轮的激振器牢固地夹持在被振工件上，激振器电动机带动偏心轮转动，产生沿垂直方向的周期激振力，使被振工件在其固有频率下振动20至30分钟，电脑控制器可使系统进入智能工作程序，即自动扫频，自动选择工艺参数，自动时效处理，结束后打印工艺参数和绘制工艺曲线。

3.2超声冲击与锤击

超声冲击（UIT）的基本原理就是利用大功率超声波推动工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表面产生较大的压塑变形，同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。此种方法对消除应力极为有效，经对650*650*80箱形柱进行超声波震动消应力测试，焊接残余应力的消除率达75%以上。

超声冲击消应力工艺的特点是：在超声频率（≥16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；试验表明：超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲击的表面会形成压应力，对2～4mm深度层消应力效果可达34～55％。采用焊趾冲击法，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19％，对提

高接头的疲劳寿命有明显作用。

冲击工艺是以点接触、压应力屈服为主要特征的“面效应”型消应力工艺，伴随一定的振动时效效果，比较适合高拘束状态短焊缝的局部处理。如局部的焊接修复、大构件的组配焊接以及在厚壁结构上焊小构件，其焊缝处承受较大的拘束应力，且焊后易产生延迟冷裂纹等情况。可作为其它消应力工艺的补充工艺。

3.3传统的热时效（TSR）

热时效（退火处理）就是将构件由室温(或不高于150℃)缓慢、均匀加热至550℃左右,保温4~8小时,再严格控制降温速度至150℃，达到消除残余应力的目的。优点：具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为40－80％，可以保证加工精度和防止裂纹产生。缺点：一是由于受时效炉体积的限制，只能对构件体积较小，重量不大的构件进行TSR。二是成本较高，每吨结构件的退火费用将高达人民币600-800元，三是消除了拉应力的不利影响的同时，也消除了压应力的有利影响。

4结语

以上讲述的是减小或消除焊接残余应力的几种工艺方法，这些消应力工艺皆可应用于建筑钢结构：其中热时效可作为重要零部件的整体消应力工艺；局部热时效、TIG重熔、可作为现场拼焊后的消应力和控制应力集中的工艺；振动时效和振动焊接则可更广泛地满足零部件制造和现场拼焊控制残余应力的要求；超声冲击法可有效应用到桥梁结构的厚板区域。当然对于具体的结构，每种消除残余应力的方法都有待进一步该进和提高，比如各种参数的选择都要在实践中不断得到摸索和提高。随着钢结构技术的进步和发展，消除焊接残余应力的方法将在各种领域得到更加广泛和深入的应用。

参考文献

[1]曾振宁,武传松,吴林.TIG焊接熔透熔池的数学模型[J].焊接学报,1996,17(4):62-70.

[2]李义丹,辛国春,李振国.正态分布焊接热源三维温度场的解析计算[J].焊接学报,1997,18(4):251-255.

[3]雷卡林.焊接热过程计算[M].北京:机械工业出版社,1951.

[4]张初冬.焊接过程瞬态组织预示的计算机模拟[J].焊接学报,1992,13(2):122-126.

[5]汪建华,钟小敏,戚新海.管板接头三维焊接变形的数值模拟[J].焊接学报,1995,16(3):141-145.

[6]王者昌.关于焊接残余应力消除原理探讨[J].焊接学报,2000,21(2):55-58.