设计加工中减小或消除焊接残余应力的实用对策

谷贺雄，王波，刘伟

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

设计加工中减小或消除焊接残余应力的实用对策

谷贺雄，王波，刘伟

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

文中针对焊接残余应力的产生原因，分析了在结构设计、焊接工艺、焊后去应力处理等方面如何减小或消除焊接残余应力的方法。

焊接；残余应力；应力消除；矫正；退火；振动

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

焊接在现代机械设备生产中举足轻重的一种加工方法。与其他加工方法相比较，节省材料、节省工时、节省费用，而且能更简单地实现轻量化，从而降低成本。但是，焊接过程中焊材与母材在强电流的电弧作用下迅速熔化形成熔池（即焊道），母材迅速吸热从而形成固态的焊道，焊道由液态冷凝为固态体积急剧收缩并与母材结合，而母材却制约其收缩产生了热应变和塑性应变，这就产生了拉应力效应，也就是焊接残余应力。

一些焊后产生的拉应力是有利的，如球形屋架、塔吊塔身、塔臂、天车龙门吊等，必要的拉应力维持结构的一定刚度及应力平衡，从而保证结构的稳定性和承载能力，所以这类设备有序的焊接工艺后是不需要去应力处理的。但更主要的是焊接残余应力在生产中的负面影响，尤其是在零部件焊后的加工工序中会应力变形。因此在焊后需加工的零部件，必须进行焊后去应力处理。

1、焊前焊中从减小焊接变形的注意事项方面考虑

1.1 从结构设计方面考虑

针对产品的总体设计要求、载荷类型及应力分布、材料的力学和物理性能、拟采用的焊接方法的适用性和熔敷金属性能等因素，考虑焊接件结构的设计。1）结构设计中，尽量保证零部件的对称性，便于对称焊接，应力对称相互平衡；2）焊缝应尽可能分散，以便减少焊接热影响区，防止粗大结构的出现；3）保证焊接强度的前提下，优化焊缝的位置、数量及尺寸，焊缝应尽量可以平焊或立焊，尽可能避免仰焊和横焊；4）焊缝应尽可能避开最大应力断面和应力集中位置，以防止焊接应力与外力相互叠加；5）焊缝应尽量避开机加工表面；6）型面过渡均匀，避免几何不连续性，优化接头形式和坡口形式，进而避免拉应力破坏结构；7）复杂的结构件可以分解为若干个较小、较简单、较规矩的结构，分解焊接，最后组焊；8）可以采用其他联接方式时（如螺纹联接等），尽可能采用其他联接方式代替焊合。

1.2 从焊接工艺方面考虑

针对材料的焊接性、焊件的结构特点、焊接接头形式、生产批量、经济性等因素，选择更适合的焊接方法。1）应尽量选用焊接性较好的材料（如ωC＜0.25%的低碳钢和强度级别较低、碳当量CE≤0.4%的低合金钢），焊接性较差的材料（0.4%＜CE＜0.6%）焊前需适当预热；2）尽量选用廉价材料，仅在有特殊要求的部位采用特种材料，以降低成本（如麻花钻的钻头材料为高速钢，柄部材料为碳钢）；3）尽量选用轧制型材，以降低备料工作量，形状复杂的结构可分解采用冲压件、铸钢件等以减少焊缝数量、降低焊接难度，减少焊接应力、变形和焊接缺陷，且能够降低成本；4）焊前预热、焊后缓冷，焊件本体温差越大，焊后热量释放越快，导致焊接应力也越大，所以焊件本体较厚、较大时，焊前应进行预热处理，焊后应采取缓冷措施。

例如，某型土压平衡盾构机（EPB）刀盘基材采用焊接性能良好的Q345B厚钢板卷制而成，关键保径部位采用CO2气体保护焊将从瑞典钢铁奥克隆德有限公司（SSAB OXELOSUND）进口的HARDOX悍达400、HARDOX悍达500等耐磨钢板与刀盘基材焊合（图1），或采用储能式螺柱焊机将耐磨豆（wear pins）与刀盘基材焊合（图2），并采用CO2气体保护焊将耐磨焊丝堆焊成网格状以保护基材不被严重磨损。

2、焊接完成后从减小焊接变形的处理方式方面考虑

2.1 矫正法

矫正法分为冷作矫正法和火焰矫正法两种。冷作矫正是在结构件上施加外力使其局部纤维收缩，分为手工矫正法和机械设备矫正法两种，冷作拉延使其产生拉伸应变达到恢复原形位的方法。但是机械校正容易使金属冷作硬化，消耗材料的塑性储备，所以机械校正适用于塑性较好的材料，不适用于塑性较差或脆性材料。机械校正可以采用人工捶打方法或者采用专用设备，如专用的水压机、油压机或者顶床。火焰矫正主要应用在钢结构上，即利用火焰（常用氧炔焰）对构件局部加热使之产生局部塑性变形，构件冷却收缩时（必要时水冷，并辅以锤击）达到矫正变形的目的。火焰矫正方法按照加热区域分为线状加热法、点状加热法、三角形区域加热法。值得注意的是，火焰矫正法主要适用于低碳钢和低合金高强度钢，加热时温度不宜过高，否则会致使金属变脆，影响冲击韧性，厚度较大或淬硬倾向较大的钢材不宜采用水火矫正方法。

2.2 退火消除焊接变形法

引起焊接变形的根本原因是焊接残余应力的存在，减小焊接残余应力就能减小焊接变形。焊件组焊前，根据焊件结构、焊接变形规律、焊件变形方向、焊接工艺顺序制作工装夹具，用夹具将待焊件或两变形规律相反的零部件固定在一起，施焊中注意焊接顺序。焊后如若将零部件从夹具中释放，则焊接变形逐渐显现。若采用退火方法处理焊件，则可消除内应力。

将焊件（焊件温度低于300℃）水平放置于退火炉内（焊件表面要求高的小焊件，可用木炭或铸铁屑覆盖，或装箱保护），加热温度100-150℃/小时，保温温度580～680℃，对于薄壁、细长、大而薄的易变性焊接件，退火温度宜取下限。保温时间根据焊件结构件最厚或直径最大的断面计算，每25mm为1小时，一般保温时间2-4小时。退火完成后随炉冷却至300℃以下出炉空冷。

例如，图中所示焊接件底座单面焊有若干小板，焊接件在下侧三块贴合钢板焊缝处产生了强势拉应力，但由于主板本身刚度的制约，焊合拉应力与主板内应力相互抵消，变形很小（图3）。若焊接件不经过去应力处理就直接机加工上下两平面，则主板变薄而刚度降低，焊合拉应力会使得焊接件收缩变形隆起（图4）。避免机加工后隆起变形有多种方法，可以反向矫正零部件（图5）使得焊缝拉伸（油压机反向压弯再回校平，反复两次）消除大部分焊合拉应力，也可以进行去应力退火，这样后续机加工后就可以避免产生大的应力变形。

退火消除应力方法运用普遍，效果较好，但受限于零部件尺寸或型材刚度要求，这时可以采用振动法减小残余应力。

2.3 振动减小残余应力法

焊接内应力也是机械能的一种，对于整个复杂焊接件来说，焊接内应力是相对杂乱的，我们可以通过某种方法使得杂乱无序的焊接内应力在很大程度上相互抵消，敲击焊接件可以在一定程度上达到此目的，在敲击法的基础上，振动去应力减小残余应力方法应运而生。振动去应力设备主要包括振动源和夹紧装置两部分组成。其中，振动源主要是指变频振动电机（偏心振动），配有一套频率监测和变频系统。将焊接件通过均匀布置的数个固定点按照设计要求固定在基座上，以保证零部件在振动过程中减小应力的同时矫正变形，变频振动电机也固定在基座上。通过变频控制系统将振动频率调整到接近焊接件的固有频率，使之发生共振，从而施加给焊接件一定的交变应力，交变应力与焊接残余应力叠加产生的内摩擦吸能，达到材料的阈值时，焊接件发生微观或宏观的粘弹塑性力学变化，从而降低和均化焊接件内部的残余应力，以矫正变形。

如果振动确实能够降低残余应力峰值，这一消除应力系统也许可以作为减少焊后需要加工的焊接件变形的一种方法；而且如果脆性断裂是由于高水平的残余应力而触发的，这种方法也许可以提高防止脆性断裂的能力。在有些情况下由于焊接件的尺寸或形状复杂等原因，用振动消除应力的方法不能得到塑性变形。

振动消除应力处理不能改变受到振动的焊缝或热影响区的组织，因此不能希望此方法使受到振动处理的区域的性能得到提高或者改变。在希望用热处理消除应力的方法来改变显微组织而达到改变强度或者韧性的目的时，不能用振动消除应力处理代替热处理消除应力。

3、结束语

减小、消除焊接残余应力是焊接技术的重要课题之一，从焊接件的结构设计、焊接工艺、焊后去应力等方面入手均可以很大程度的减小、消除焊接残余应力，这对于提高焊接件的质量、良品率有着至关重要的作用。

[1] 付荣柏.焊接变形的控制与矫正[M].北京∶机械工业出版社，2006.

[2] 王文翰.焊接技术手册[M].郑州∶河南科学技术出版社,1999.

[3] 米谷貌.残余应力的产生和对策[M].北京∶机械工业出版社,1983.

[4] 陈宏钧.机械加工工艺方案设计及案例[M].北京∶机械工业出版社，2011.1.

Practical countermeasures to minimize or eliminate the welding residual stress

Gu Hexiong, Wang Bo, Liu Wei
（1.Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Hebei Baoding 071000;
2. Major Lab. of Vehicle Safety Integration and Smart Control in Hebei Province, Hebei Baoding 071000）

This article focus on the causes of welding residual stress，Analyzed the methods on how to reduce or eliminate the welding residual stress in structure design，welding technology，how to deal with the stress after welding,etc.

Welding；Residual stress；Stress relieving；Correction；Annealing；Vibration

U466

A

1671-7988(2015)03--

谷贺雄，就职于长城汽车股份有限公司技术中心。