关于焊接残余应力消除原理的探讨

关于焊接残余应力消除原理的探讨

宁杰

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摘要：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。

关键词：焊接残余应力；应力消除原理；应变性质

引言：焊接残余应力是焊件在进行焊接过程中通过热力加工、相对变化应力与塑造应力等超过焊件本身的阈值极限产生的，在经历冷却加工后依然不能进行消除的应力结果。焊接残余应力对大规模焊接工程十分重要，消除与否的结果直接关系到后续焊接零件工程的使用年限，因此凡所涉及焊接的相关工程都对焊接残余应力的消除方式方法十分关注。本文通过对焊接残余应力的产生条件进行阐述分析，介绍消除焊接残余应力的基本方法措施，从而探讨出焊接残余应力消除原理，提出在残余应力的产生过程中能够随着温度的持续上涨而发生弹性变化，并在常规条件下采用伸缩性应变能够减轻残余应力带来的弹性应变。此外，从焊接零件与工程还出现不间断裂纹的现象进一步证实了焊接残余应力消除原理的正确性，为后续相关研究提供了强有力的经验积累。

1焊接残余应力的消除方法

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，常见的消除方法包括：

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。

1.2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焊接残余应力的控制技术

2.1间断焊接法

间断焊接法是指焊接时保证焊接部位周围处于冷却低温状态，避免钢结构焊接作业部位受热不均匀情况的发生，减少焊接残余应力发生的机率。操作人员需要以钢结构的具体实际情况为基础考虑，采用非连续焊接方式。

2.2热处理消除法

热处理作为一种常见的焊接残余应力处理方法，是通过在焊接作业部位进行退火处理来实现的，改变焊接作业部位的温度场，提高焊接作业部位的受热时间。在焊接作业部位热处理时，需要对其加热温度进行控制，保证温度场的稳定性。通过合理有效的退火处理措施，钢结构焊接作业部位的残余应力会由于焊接残余应力膨胀而对外释放，从而有效消除钢结构焊接作业部位的残余应力。

2.3锤击消除法

锤击消除法为对焊接作业部位进行锤击处理，所产生的锤击力会使得焊接作业部位延伸展开，从而由于力的相互作用，可以抵消掉焊接作业后产生的热涨冷缩残余应力，减少钢结构焊接作业部位内部的残余应力，提高钢结构的质量与性能指标。在对钢结构焊接作业部位进行锤击处理时，要确保钢结构焊接作业位置处所受锤击力均匀，保证焊接位置不会过度受力。

2.4规范焊接流程

钢结构的焊接工序与焊接残余应力的产生也具有联系，通过对钢结构的焊接作业位置进行合理有的效安排，能够对焊接工艺流程顺序进行有针对性的调整，规范焊接操作流程顺序，可以有效地避免焊接残余应力的产生。

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。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。

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。

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