焊接焊缝残余应力研究

焊接焊缝残余应力研究

杨进攻

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：在焊接过程中，由于焊件局部的温度发生变化，产生应力变形。进而导致了构件产生变形。因此，通过对焊接结构及焊接变形的分析，通过对焊接工艺焊件结构设计等方面采取有效措施，从而提高焊接质量。

关键词：残余应力；焊接

引言

焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内

应力和焊接热过程引起的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引

起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接应

力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑

的问题。

1 残余应力产生

（1）焊件的不均匀受热。对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形。冷却后，构件就会有残余应力；焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反；焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩；焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。

（2）焊缝金属的收缩。焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的。因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。

（3）金属组织的变化。金属在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容不同，由此也会造成焊缝应力与变形。

（4）焊缝的刚性和拘束。焊缝的刚性和拘束，对焊件应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力。而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质，焊件截面形状和尺寸有关，而拘束是一种外部条件，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。

2 残余应力控制

焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以通过恰当的工艺措施给予一定程度的控制。使之危害尽可能减小。控制内应力的方法有多种，但其基本原则只有一个，就是缓和对焊缝收缩的制约，通常采用的工艺措施有：1）采用合理的焊接次序。是尽量使焊缝能比较自由的收缩，尤其是对那些收缩比较大，残余应力比较大的焊缝。2） 预热法。由于被焊工件各部位的温差越大，焊缝的冷却速度越快。则焊接接头的残余应力就越大。预热既能减小工件各部位的温差，又能减缓冷却速度。它是降低焊接残余应力的有力措施之一。

3 残余应力消除

（1）利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力焊接残余应力产生的根本原因是由于焊缝在冷却过程中的收缩，因此，焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。

（2）利用振动法来消除焊接残余应力构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。振动法的优点是设备简单、成本低，时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。

（3）利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。利用“加热减应区法”减小焊接应力，关键在于正确选择“减应区”的部位，总的原则是选择那些阻碍焊接区自由膨胀和伸缩的部位。必须注意，焊接区本身绝不能作为减应区的部位，因为那时焊接应力非但不减小，相反还会增加。实际操作时，检验减应区的部位是否选择正确，可用气体火焰在该处加热一下，若焊接缝隙处张开，则表示选择正确。

（4）利用高温回火来消除焊接残余应力由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点，而金属在高温下屈服点将降低。所以将构件的温度升高至某一定数值时，应力的最大值也应该减少到该温度下的屈服点数值。如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。

（5）利用温差拉伸法来消除焊接残余应力温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热，在焊炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动。这就形成了一个两侧温度高(峰值约为200℃)、焊接区温度低(约为100℃)的温度差。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，这样就可消除部分残余应力。

（6）爆炸法通过布置在焊缝附近的炸药带，引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，从而消除焊接残余应力的方法，叫焊接残余应力爆炸法。

结束语

以上对焊接残余应力产生的原因进行研究分析，对减少应力措施和消除应力方法进行了探讨。在制造过程中一些组合焊缝可能造成更为复杂的应力相互作用，需要细致分析，结合选用适宜的工艺方法。

参考文献

[1]Yanan, Zhao, 赵亚楠,等. 焊接残余应力研究概况[C]// 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会学术交流会暨教学研讨会. 2012.