浅谈焊接结构的残余应力

陈辉

【摘 要】零部件在焊接的过程中，因为焊接条件的不同，在焊接的过程中，会造成焊接结构出现温度不均匀的现象，完成焊接之后，在焊接结构内部残留残余应力。焊接结构的残余应力影响着焊接构件的质量和性能，使得焊接结构出现开裂、变形等问题，本文就针对焊接结构的残余应力进行分析研究。

【关键词】焊接；残余应力；影响；措施

1、焊接结构残余应力产生的因素

针对焊接残余应力进行分析，在焊接结构焊接中，因为受热不均匀而产生焊接残余应力，其分为纵向残余应力和横向残余应力[1]。纵向残余应力主要是进行纵向焊接而产生的焊接残余应力，横向残余应力就是在进行横向焊接的过程中，产生的残余应力。针对焊接残余应力产生的原因进行分析，可以将其归结为三种：

（1）因比热变化而产生。在焊接零部件的过程中，因为焊接件性质的不同，在焊接的过程中，会因为比热容发生变化，使得焊接组织发生变化，而产生残余应力。因为不同碳含量的钢结构，在焊接的过程中对温度的感应不同，所以在焊接的过程中，需要充分的考虑到钢结构在焊接的过程中，产生的相变温度、冷却温度等等。

（2）因焊而产生。在焊接的过程中，产生的残余应力是焊接结构残余应力的主要组成部分，也是关键，在焊接的过程中，产生的残余应力主要是因为冷却温度梯度以及进行的不均匀加热造成的。

（3）因间接而产生。焊接结构的残余应力，在焊接之前，因为焊接机械构件、零件在加工等造成焊接产生残余应力，将这部分的残余应力看成是因为间接因素形成的。在机械器件焊接之前，进行过轧刹等，将会在焊接的过程中，产生残余应力，影响焊接结构的性能。

综上所述，在焊接过程中，产生的焊接残余应力可以看成是不同焊接热源、焊接构件的的性能随着温度的变化而产生的。焊接时，不同的热源在焊接的过程中，产生的温度场不同，因此产生的焊接残余应力也不同。焊接结构的物理性质、力学性能等随着温度的变化而变化，在焊接的过程中，往往会因为焊接温度，也使其性能发生变化。

2、焊接结构残余应力产生的影响

焊接是机械加工生产、钢结构连接等不可缺少的一道工序，焊接中所产生的残余应力会对焊接结构产生一定的影响，严重的影响着焊接结构的性能。当前因为焊接残余应力对焊接结构性能产生的影响主要有以下几个方面：

（1）疲劳强度

机械构件在使用的过程中，其性能不发生较大变化的时间，称之为焊接结构的使用寿命，这是焊接结构质量检验中的一个重要指标。机械零部件等在焊接、加工中所产生的残余应力，对其疲劳强度影响较大。当焊接残余应力达到一定程度后，其对焊接结构疲劳强度产生的影响将超过了焊接结构的承受能力，造成焊接件的报废。

（2）稳定性

在机械生产中，零部件性能的稳定性，是机械生产的保证。焊接残余应力，将会使得焊接件发生裂缝、氧化、变形等，影响其稳定性。

（3）强度

虽然焊接结构的强度，不会受到焊接残余应力的影响，但是在机械生产的过程中，因为对零件性能的要求，在机械零件加工中，会采用高集中式的焊接，此时焊接产生的残余应力就不可再忽视了。当焊接结构处于脆弱状态时，焊接残余应力对其强度产生的影响是最大的，会造成焊接结构变形，严重的破坏焊接结构的规格。

（4）刚度

在机械生产中，每个机械零部件都有自己的形态结构，在机械生产中，充分的发挥自身形态结构的功能。当其受到一定的外部压力影响后，其形态就会有所变化，即我们所说的构件变形，焊接结构的刚度也随之变化。焊接残余应力在零部件内部发生膨胀，使得这部分焊接结构处于松散的状态，其硬度和刚度都发生改变，进而影响着焊接结构的质量。

（5）裂缝

机械零部件在加工中会产生一些细微裂纹，这些裂纹在其焊接过程所产生的影响将非常大。这些机械零部件的裂纹会在焊接的过程中，变成裂缝，引起零部件的开裂。

3、焊前减少焊接残余应力和变形的措施

在焊接的过程中，产生的焊接残余应力，直接影响着焊接结构的质量和性能，为了避免焊接残余应力对其性能和焊接质量产生影响，需要将焊接残余应力消除。消除焊接残余应力的措施主要有：

（1）合理的控制焊接量

在满足零部件加工性能的条件下，我们应该减少焊缝的尺寸和数量，焊缝的尺寸越小，焊缝的数量越少，所产生的焊接残余应力就越小，对零部件造成的影响就越小。因此我们在焊接过程中，需要合理的、科学的布置焊接量，在保证焊接质量的前提下，尽量减少焊缝，以及焊接的尺寸。

（2）改进现有的焊接工艺

改进现有的焊接工艺，第一需要将焊接的顺序和焊接的方向进行合理的调整和改变，其次将焊接中具有较大收缩量的焊接排在前面，先进行焊接，然后在进行长直缝的焊接。在焊接的过程中，需要按照先大后小的焊接原则进行焊接，完成所有的焊接之后，需要对整个焊接构件进行加热，缩小焊接部位和非焊接部位之间的温度差，降低残余应力产生危害。

（3）引进先进的焊接技术

采用新型的焊接工艺，氩弧焊、二氧化碳保护焊等在焊接过程中产生气体保护层，不仅保证零部件不被氧化，而且还能减少焊接过程中对焊缝的影响，最大程度减小残余应力。

4、焊后消除残余应力的措施

（1）热处理消除法

焊后热处理是一种消除焊接残余应力常用的方法。主要用退火处理，温度越高、保温时间越长，消除焊接残余应力的效果就越好。但是温度过高，使工件表面氧化比较严重，组织可能发生转变，影响工件的使用性能，存在弊端。蠕变应力松弛理论为热处理消除焊接残余应力提供了另一条思路，工件在较低温度时会发生蠕变，材料内部的残余应力会因应力松弛而得到释放，只要保温时间足够长，理论上残余应力可完全消除。在低温消除焊接残余应力时，材料的组织和性能变化甚微，几乎不影响材料的使用性能，而且低温处理材料表面的氧化和脱碳也比较小，这就可以在材料的力学性能和组织基本不变的情况下达到降低材料焊接残余应力的目的。

（2）锤击消除法

焊后采用带小圆头面的手锤锤击焊缝及近缝区，使焊缝及近缝区的金属得到延展变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，使焊接残余应力降低。

（3）振动消除法

振动消除法是利用由偏心轮和变速马达组成的激振器，使焊接结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力的。

这种方法所用的设备简单，处理成本低，时间比较短，没有高温回火给金属表面造成的氧化问题，目前在施工中广泛使用。

（4）预载消除法

残余应力也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整，例如对压力容器可以采用水压试验，也可以在焊缝两侧局部加热到200℃，造成一个温度场，使焊缝区得到拉伸，以减小和消除焊接残余应力。

5、小结

随着工业技术的发展，人们对焊接结构的性能、焊接质量的要求越来越高，焊接残余应力，严重的影响到焊接结构的性能和质量。为了提高焊接质量，需要我们从焊接工艺、焊接技术等各个方面进行探讨，在焊接的每一个环节减小残余应力，大大提高材料的使用寿命和性能。

参考文献：

[1]葛明兰，鲁家晟.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].福建建筑.2010（07）：50-52.

[2]孙乃明.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].装备制造技术.2013（03）：138-139.