焊接残余应力的控制方法

基础知识

一、焊接残余应力的分类

（1）根据应力性质划分：拉应力、压应力。

（2）根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力。

（3）根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力。

（4）根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力。

（5）根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力。

二、焊接残余应力对焊接结构的影响

1.对结构强度的影响

当材料处于脆性状态时，则拉伸内应力和外载引起的拉应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到抗拉强度，导致结构早期破坏。曾有许多低碳钢和低合金结构钢的焊接结构发生过低应力脆断事故，经大量试验研究表明：在工作温度低于材料的脆性临界温度的条件下，拉伸内应力和严重应力集中的共同作用，将降低结构的静载强度，使之在远低于屈服点的外应力作用下就发生脆性断裂。因此，焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。

2.对构件加工尺寸精度的影响

焊件上的内应力在机械加工时，因一部分金属从焊件上被切除而破坏了它原来的平衡状态，于是内应力重新分布以达到新的平衡，同时产生了变形，于是加工精度受到影响。图6-25所示为在T形焊件上加工一平面时的情况，当切削加工结束后松开加压板，工件会产生上拱变形，加工精度受到影响。为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。也可采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残余应力和变形。

图6-25  机械加工引起内应力释放和变形

3.对受压杆件稳定性的影响

焊接工字梁或焊接箱形梁时，腹板的中心部位存在较大的压应力，这种压应力的存在，往往会导致高大梁结构的局部或整体的失稳，产生波浪变形。

4.对低温冷脆的影响

焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的，必须引起足够的重视。在厚板和具有严重缺陷的焊缝中，以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。

5.对疲劳强度的影响

焊缝及其附近的主体金属，残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。

任务实施

一、减小焊接残余应力的措施

减小焊接残余应力，即在焊接结构制造过程中采取一些适当的措施以减小焊接残余应力。一般来说，可以从设计和工艺两方面着手，设计焊接结构时，在不影响结构使用性能的前提下，应尽量考虑采用能减小和改善焊接应力的设计方案；另外，在制造过程中还要采取一些必要的工艺措施，以使焊接应力减小到最低程度。

1.设计措施

（1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。多一条焊缝就多一处内应力源；过大的焊缝尺寸，焊接时受热区加大。使引起残余应力与变形的压缩塑性变形区或变形量增大。

（2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离。焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀，而且又能出现双向或三向复杂的应力状态。压力容器设计规范在这方面要求严格，如图6-26所示为其中一例。

（3）采用刚性较小的接头形式。例如，图6-27所示容器与接管之间连接接头的两种形式，插入式连接的拘束度比翻边式的大，前者的焊缝上可能产生双向拉应力，且达到较高数值；而后者的焊缝上主要是纵向残余应力。

图6-26  容器接管焊缝

图6-27  焊接管连接

2.工艺措施

（1）采用合理的装配焊接顺序和方向 除了防止弯曲及角变形要考虑合理安排焊接顺序外，为了减小应力也应选择合理的焊接顺序。合理的装配焊接顺序就是能使每条焊缝尽可能自由收缩的焊接顺序。具体应注意以下几点：

①平面上的焊缝焊接时，要保证焊缝的纵向及横向（特别是横向）收缩能够比较自由，而不是受到较大的约束。如图6-28的拼板焊接，合理的焊接顺序应是按图中l～10施焊，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。

图6-28  拼接焊缝合理的装配焊接顺序

②收缩量最大的焊缝应先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，故残余应力就比较小。如图6-29所示的带盖板的双工字梁结构，应先焊盖板上的对接焊缝l，后焊盖板与工字梁之间的角焊缝2，原因是对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。

图6-29  带盖板的双工字梁结构焊接顺序

③工作时受力最大的焊缝应先焊。如图6-30所示的大型工字梁，应先焊受力最大的翼板对接焊缝l，再焊腹板对接焊缝2，最后焊预先留出来的一段角焊缝3。

图6-30  对接工字梁的焊接顺序

④在对接平面上带有交叉焊缝的接头时，必须采用保证交叉点部位不易产生缺陷的焊接顺序。如图6-31所示为几种T形接头焊缝和十字接头焊缝，应采用图中 (a)、(b)、(c)的焊接顺序，才能避免在焊缝的相交点产生裂纹及夹渣等缺陷。图 (d)为不合理的焊接顺序。同时，焊缝的起弧或收尾也可避开交点，或虽然在交点上，但在焊相交的另一条焊缝时，起弧或收尾处事先已被铲掉。大型油罐、船壳建造等大面积拼板焊接中必须注意这一点。

图6-31  平面交叉焊缝的焊接顺序

⑤如图6-32所示为对接焊缝与角焊缝交叉的结构。对接焊缝1的横向收缩量大，必须先焊对接焊缝1，后焊角焊缝2。反之，如果先焊角焊缝2，则焊接对接焊缝1时，其横向收缩不自由，极易产生裂纹。

图6-32 对接焊缝与角焊缝交叉

（2）预热法 预热法是在施焊前预先将焊件局部或整体加热到150℃～650℃。对于焊接或焊补那些淬硬倾向较大的材料的焊件，以及刚性较大或脆性材料焊件时，常常采用预热法。

（3）冷焊法 冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其他部位间的温度差。具体做法有：

①采用焊条直径较小，焊接电流偏低的焊接工艺参数。

②每次只焊很短的一道焊缝。例如，焊铸铁每道只焊10～40 mm。焊刚度大的钢件，每次焊半根到一根焊条，等这道焊缝区域的温度降低不烫手时才能焊下一道很短的焊缝。

（4）降低焊缝的拘束度 平板上镶板的封闭焊缝焊接时拘束度大，焊后焊缝纵向和横向拉应力都较高，极易产生裂纹。为了降低残余应力，应设法减小该封闭焊缝的拘束度。图6-33所示是焊前对镶板的边缘适当翻边，做出角反变形，焊接时翻边处拘束度减小。若镶板收缩余量预留得合适，焊后残余应力可减小且镶板与平板平齐。

图6-33  降低局部刚度减少内应力

（5）加热“减应区”法 选择结构的适当部位进行低温或高温加热使之伸长。加热这些部位以后再去焊接或焊补原来刚性很大的焊缝时，焊接应力可大大减小。这个加热的部位就叫作“减应区”。如图6-34所示表示出了此法的减应原理。

图6-34  加热“减应区”法示意图

三、消除焊接残余应力的方法

常用的消除残余应力的方法如下：

1.热处理法

热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余应力的目的，同时，热处理还可改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法有整体热处理和局部热处理两种。

（1）整体高温回火 是将焊接结构整体放入加热炉中，并缓慢加热到一定的温度（低碳钢为600℃～650℃），并保温一定的时间（一般按每毫米板厚保温2～4分钟，但总时间不少于30分钟），然后空冷或随炉缓冷。考虑到自重可能引起构件的歪曲等变形。在放入炉子时要把构件支垫好。整体热处理消除残余应力的效果取决于加热温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。一般可消除60%～90%的残余应力，在生产中应用比较广泛。

（2）局部高温回火 对于某些不允许或不可能进行整体热处理的焊接结构，可采用局部热处理，局部热处理就是对构件焊缝周围的局部应力很大的区域及其周围，缓慢加热到一定温度后保温，然后缓慢冷却，其消除应力的效果不如整体热处理，它只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。对于一些大型筒形容器的组装环缝和一些重要管道等，常采用局部热处理来降低结构的残余应力。

2.机械拉伸法

机械拉伸法是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松弛残余应力的目的。实践证明，拉伸载荷加得越高，压缩塑性变形量就抵消得越多，残余应力消除得越彻底。在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。

3.温差拉伸法

温差拉伸法的原理是采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。图6-35所示为温差拉伸法示意图，在焊缝两侧各用一适当宽度（一般为100～150 mm）的氧乙炔焰嘴加热焊件，使焊件表面加热到200℃左右，在焰嘴后面一定距离用水管喷头冷却，以造成两侧温度高，焊缝区温度低的温度场，两侧金属的热膨胀对中间温度较低的焊缝区进行拉伸，产生拉伸塑性变形抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。如果加热温度和加热范围选择适当，消除应力的效果可达50%～70%。

图6-35  “温差拉伸法”消除残余应力示意图

4.锤击焊缝

在焊后用手锤或一定直径的半球形风锤锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接应力的作用。锤击时注意施力应适度，以免施力过大而产生裂纹。

5.振动法

又称振动时效或振动消除应力法（VSR）。它是利用由偏心轮和变速马达组成的激振器，使结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力。其效果取决于激振器、工件支点位置、激振频率和时间。振动法所用设备简单、价廉，节省能源，处理费用低，时间短（从数分钟到几十分钟），也没有高温回火时金属表面氧化等问题，故目前在焊件、铸件、锻件中，为了提高尺寸稳定性较多地采用此法。

拓展提高

焊接残余应力的测定

目前，测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类，即机械方法和物理方法。

1.机械方法

机械法也称应力释放法，它是利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。

（1）切条法 加工麻烦，要完全破坏焊件，但测定残余应力比较准确。所以，该方法只适用于实验室中进行研究工作。

（2）钻孔法 测定残余应力时所钻孔可以是盲孔，也可以是 2～3 mm的通孔，它适用于焊缝及其附近小范围内残余应力的测定，并可现场操作，很快测得指定点的主应力及其方向，测量结果比较精确。另外，钻孔法由于所钻孔比较小，对结构的破坏性很小，特别适用于没有密封要求的结构；对有密封要求的结构，可采用盲孔，测试完毕后可用电动砂轮将其磨平。

2.物理方法

它是一种非破坏性测定残余应力的方法，常用的有磁性法、超声波法及X射线衍射法等。

（1）磁性法 它是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。该方法目前在生产中已获得了应用，市场上已有仪器出售，测量仪器轻巧、简单、测量方便、迅速，但测量精度不高。

（2）X射线衍射法 它是根据金属晶体晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力的，是一种无损的测量方法，我国已生产出了可用于现场的轻便型X射线残余应力测定仪。但这种方法只能测定表面应力，对被测表面精度要求较高，测量仪器的价格也比较昂贵。

（3）超声波法 它是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的，它可用于测定三维空间的残余应力，但这种方法目前还处在实验室研究阶段，国外已有仪器出售，国内实际生产中还尚未得到应用。